JP3512259B2 - 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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Description
【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、補助観察装置との複合化に適した走査型プローブ
顕微鏡に関する。
関し、補助観察装置との複合化に適した走査型プローブ
顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】走査型プローブ（探針）顕微鏡は原子オ
ーダの測定分解能を有し、表面形状の計測など各種分野
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。
ーダの測定分解能を有し、表面形状の計測など各種分野
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８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る。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および反射したレーザ光を受ける光検出
器１７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
の距離約１ｎｍにまで近付けると、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１
１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の表面の形状が計測される。
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る。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および反射したレーザ光を受ける光検出
器１７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
の距離約１ｎｍにまで近付けると、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１
１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の表面の形状が計測される。
【０００４】原子間力顕微鏡は原理上分解能が高いが、
測定範囲が数μｍと数百μｍと非常に狭いという不具合
がある。従って、試料１２の観察場所を特定するため光
学顕微鏡等の補助観察装置と複合化されることが望ま
れ、例えば図９に示すような光学顕微鏡と複合化された
原子間力顕微鏡が従来提案されている。この構成を有す
る原子間力顕微鏡によって測定される試料２１は、例え
ばシリコンウェハや光ディスクなどの大型のものであ
る。これらの試料２１では、半導体回路や記録面におけ
る所定素子や記録ピットを特定して原子間力顕微鏡で観
察することが望まれており、かかる原子間力顕微鏡では
光学顕微鏡等との複合化が必要不可欠である。図９の原
子間力顕微鏡は、カンチレバー１３側にＸＹＺ微動機構
１１を備え、カンチレバー１３側を走査する構成として
いる。図９において、図８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。検出光学系はブ
ロック２３に取り付けられてＸＹＺ微動機構１１の側に
結合され、このＸＹＺ微動機構１１はカンチレバー接近
機構２４に取り付けられる。光学顕微鏡２５は、原子間
力顕微鏡の側方に距離Ｄを離して配置され、試料２１は
試料移動用のＸＹステージ２６上に配置される。
測定範囲が数μｍと数百μｍと非常に狭いという不具合
がある。従って、試料１２の観察場所を特定するため光
学顕微鏡等の補助観察装置と複合化されることが望ま
れ、例えば図９に示すような光学顕微鏡と複合化された
原子間力顕微鏡が従来提案されている。この構成を有す
る原子間力顕微鏡によって測定される試料２１は、例え
ばシリコンウェハや光ディスクなどの大型のものであ
る。これらの試料２１では、半導体回路や記録面におけ
る所定素子や記録ピットを特定して原子間力顕微鏡で観
察することが望まれており、かかる原子間力顕微鏡では
光学顕微鏡等との複合化が必要不可欠である。図９の原
子間力顕微鏡は、カンチレバー１３側にＸＹＺ微動機構
１１を備え、カンチレバー１３側を走査する構成として
いる。図９において、図８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。検出光学系はブ
ロック２３に取り付けられてＸＹＺ微動機構１１の側に
結合され、このＸＹＺ微動機構１１はカンチレバー接近
機構２４に取り付けられる。光学顕微鏡２５は、原子間
力顕微鏡の側方に距離Ｄを離して配置され、試料２１は
試料移動用のＸＹステージ２６上に配置される。
【０００５】上記の原子間力顕微鏡による測定は、光
学顕微鏡２５で観察を行い、試料２１の表面で測定箇所
を決定する、ＸＹステージ２６を用いて距離Ｄだけ移
動させ、測定箇所を原子間力顕微鏡の位置にセットす
る、カンチレバー接近機構２４により探針１４を試料
２１の表面に近付ける、原子間力顕微鏡により観察を
行う、という工程によって行われる。この測定工程で
は、距離Ｄの移動をいかに正確に行えるかということが
問題となる。実際上、距離Ｄ自身を正確に知るのが難し
いこと、距離Ｄはカンチレバーの交換や温度等の環境要
因により変化すること、ＸＹステージ２６によって距離
Ｄの移動を正確に行うことが難しいことの理由から、試
料２１の表面上で観察したい場所を例えば１μｍ以下の
精度で特定することは不可能に近い。
学顕微鏡２５で観察を行い、試料２１の表面で測定箇所
を決定する、ＸＹステージ２６を用いて距離Ｄだけ移
動させ、測定箇所を原子間力顕微鏡の位置にセットす
る、カンチレバー接近機構２４により探針１４を試料
２１の表面に近付ける、原子間力顕微鏡により観察を
行う、という工程によって行われる。この測定工程で
は、距離Ｄの移動をいかに正確に行えるかということが
問題となる。実際上、距離Ｄ自身を正確に知るのが難し
いこと、距離Ｄはカンチレバーの交換や温度等の環境要
因により変化すること、ＸＹステージ２６によって距離
Ｄの移動を正確に行うことが難しいことの理由から、試
料２１の表面上で観察したい場所を例えば１μｍ以下の
精度で特定することは不可能に近い。
【０００６】そこで、図１０に示すようにカンチレバー
１３とその先端の探針１４が光学顕微鏡の視野内に位置
するように構成し、図１１に示すように光学顕微鏡２５
の視野２７にて試料２１とカンチレバー１３の先端の探
針１４を同時に観察する方式が提案される。この方式に
よれば、光学顕微鏡と原子間力顕微鏡との間でＸＹステ
ージ２６を移動させる必要がなく、測定箇所の特定が極
めて容易となる。しかし他方で、探針１４を光学顕微鏡
の視野内に配置するようにしたため、次の問題が生じ
る。
１３とその先端の探針１４が光学顕微鏡の視野内に位置
するように構成し、図１１に示すように光学顕微鏡２５
の視野２７にて試料２１とカンチレバー１３の先端の探
針１４を同時に観察する方式が提案される。この方式に
よれば、光学顕微鏡と原子間力顕微鏡との間でＸＹステ
ージ２６を移動させる必要がなく、測定箇所の特定が極
めて容易となる。しかし他方で、探針１４を光学顕微鏡
の視野内に配置するようにしたため、次の問題が生じ
る。
【０００７】第１の問題はＺ軸方向の探針の位置制御に
関しサーボ特性が低下すること、第２の問題は光てこ検
出光学系との間で干渉が生じること、である。特に第１
の問題は、試料が大型の場合に大きな問題となる。Ｚ軸
方向のサーボの制御は、原子間力顕微鏡による測定にお
いて測定性能を左右する重要な要素である。試料の表面
の凹凸に対してカンチレバーのたわみ角が一定になるよ
うにＺ微動機構を作動させるが、Ｚ軸方向のサーボ制御
に高速性がないと、試料表面の凹凸を正確にトレースす
ることができない。試料が大型の場合に試料の側にＺ微
動機構を設けると、試料が大きい分、試料台等の機構の
質量が増し、高速性が損なわれるので、軽量のカンチレ
バー側にＺ微動機構を設けることが必要になる。
関しサーボ特性が低下すること、第２の問題は光てこ検
出光学系との間で干渉が生じること、である。特に第１
の問題は、試料が大型の場合に大きな問題となる。Ｚ軸
方向のサーボの制御は、原子間力顕微鏡による測定にお
いて測定性能を左右する重要な要素である。試料の表面
の凹凸に対してカンチレバーのたわみ角が一定になるよ
うにＺ微動機構を作動させるが、Ｚ軸方向のサーボ制御
に高速性がないと、試料表面の凹凸を正確にトレースす
ることができない。試料が大型の場合に試料の側にＺ微
動機構を設けると、試料が大きい分、試料台等の機構の
質量が増し、高速性が損なわれるので、軽量のカンチレ
バー側にＺ微動機構を設けることが必要になる。
【０００８】そこで図１０では、ＸＹＺ微動機構１１を
カンチレバー１３側に設けた構成が示される。固定され
たカンチレバー接近機構２４にＸＹＺ微動機構１１が取
り付けられ、このＸＹＺ微動機構１１に、カンチレバー
１３を取り付けるためのくちばし状部材３１が取り付け
られる。くちばし状部材３１は、光学顕微鏡２５の視野
内にカンチレバー１３を配置させるための部材で、当該
視野の方向に伸びるくちばし部を有する。カンチレバー
１３は、くちばし部の先端に取り付けられる。このくち
ばし部の具体的な形状や構成はかなりの自由度を有する
が、光学顕微鏡２５の対物レンズの半径Ｒより長い長さ
が必要になる。このような構成では、Ｚ微動機構でカン
チレバー１３の探針１４の位置を正確に制御する場合
に、機構的な剛性が問題となり、高速性を得ることは容
易ではない。高速性を得るためには、機構の固有振動数
が高いことが要求される。固有振動数は、一般的に、固
有振動数（Ｈｚ）をｆ、剛性をｋ、質量（回転運動の場
合には慣性モーメント）をｍとするとき、次の式で表わ
される。
カンチレバー１３側に設けた構成が示される。固定され
たカンチレバー接近機構２４にＸＹＺ微動機構１１が取
り付けられ、このＸＹＺ微動機構１１に、カンチレバー
１３を取り付けるためのくちばし状部材３１が取り付け
られる。くちばし状部材３１は、光学顕微鏡２５の視野
内にカンチレバー１３を配置させるための部材で、当該
視野の方向に伸びるくちばし部を有する。カンチレバー
１３は、くちばし部の先端に取り付けられる。このくち
ばし部の具体的な形状や構成はかなりの自由度を有する
が、光学顕微鏡２５の対物レンズの半径Ｒより長い長さ
が必要になる。このような構成では、Ｚ微動機構でカン
チレバー１３の探針１４の位置を正確に制御する場合
に、機構的な剛性が問題となり、高速性を得ることは容
易ではない。高速性を得るためには、機構の固有振動数
が高いことが要求される。固有振動数は、一般的に、固
有振動数（Ｈｚ）をｆ、剛性をｋ、質量（回転運動の場
合には慣性モーメント）をｍとするとき、次の式で表わ
される。
【０００９】
【数１】ｆ＝（１／２π）（ｋ／ｍ）1/2
【００１０】上記式に従えば、並進運動、回転運動にお
ける剛性ｋが高く、質量または慣性モーメントが小さい
ほど固有振動数が高くなる。サーボ制御における帯域
（サーボ制御が追従できる最大周波数）は、基本的に機
構の固有振動数よりも低く設定される。帯域を固有振動
数の近くにすると、機構が共振し、制御不能となるから
である。従ってサーボ制御の帯域の観点から、機構の固
有振動数は高いほど望ましく、機構の固有振動数を高く
するためには質量が小さいほど望ましい。
ける剛性ｋが高く、質量または慣性モーメントが小さい
ほど固有振動数が高くなる。サーボ制御における帯域
（サーボ制御が追従できる最大周波数）は、基本的に機
構の固有振動数よりも低く設定される。帯域を固有振動
数の近くにすると、機構が共振し、制御不能となるから
である。従ってサーボ制御の帯域の観点から、機構の固
有振動数は高いほど望ましく、機構の固有振動数を高く
するためには質量が小さいほど望ましい。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】図１０に示した原子間
力顕微鏡は、次の問題を有する。図１２に示すようにＸ
ＹＺ微動機構として具体的にチューブ型圧電セラミック
ス４１を使用し、その下端にくちばし状部材３１を備え
る。圧電セラミックス４１は、Ｘ軸駆動用電極４１ａ、
Ｙ軸駆動用電極４１ｂ、Ｚ軸駆動用電極４１ｃを備えて
いる。各電極に所定の電圧を印加すると、Ｘ軸、Ｙ軸、
Ｚ軸の各方向に変位を発生させることができる。代表的
な振動モードを示すと、破線に示すごとくなる。この運
動では、くちばし状部材３１が所要の質量ｍ、くちばし
部の長さＲ１に基づく慣性モーメントを有し、これらの
質量と慣性モーメントの増加によって、機構の固有振動
数が低下するという問題を有している。
力顕微鏡は、次の問題を有する。図１２に示すようにＸ
ＹＺ微動機構として具体的にチューブ型圧電セラミック
ス４１を使用し、その下端にくちばし状部材３１を備え
る。圧電セラミックス４１は、Ｘ軸駆動用電極４１ａ、
Ｙ軸駆動用電極４１ｂ、Ｚ軸駆動用電極４１ｃを備えて
いる。各電極に所定の電圧を印加すると、Ｘ軸、Ｙ軸、
Ｚ軸の各方向に変位を発生させることができる。代表的
な振動モードを示すと、破線に示すごとくなる。この運
動では、くちばし状部材３１が所要の質量ｍ、くちばし
部の長さＲ１に基づく慣性モーメントを有し、これらの
質量と慣性モーメントの増加によって、機構の固有振動
数が低下するという問題を有している。
【００１２】上記の問題は、原子間力顕微鏡のみではな
く、光学顕微鏡等の補助観察装置と複合される走査型プ
ローブ顕微鏡について一般的に生じる問題である。
く、光学顕微鏡等の補助観察装置と複合される走査型プ
ローブ顕微鏡について一般的に生じる問題である。
【００１３】本発明の目的は、上記問題を解決すること
にあり、光学顕微鏡等の補助観察装置を備え、この補助
観察装置の視野内にくちばし状部材を利用してカンチレ
バーを配置する構造において、Ｚ軸方向の制御のサーボ
特性を高め、測定性能を向上した走査型プローブ顕微鏡
を提供することにある。
にあり、光学顕微鏡等の補助観察装置を備え、この補助
観察装置の視野内にくちばし状部材を利用してカンチレ
バーを配置する構造において、Ｚ軸方向の制御のサーボ
特性を高め、測定性能を向上した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、試料に対向する探針を先部に備えたカン
チレバーと、試料の表面とカンチレバーの背面を観察し
得る補助観察装置と、この補助観察装置の視野内にカン
チレバーを配置させるくちばし状部材と、カンチレバー
の変位を検出する変位検出装置と、探針と試料の相対的
位置を変位させるＸＹ微動機構およびＺ微動機構とを備
え、探針と試料の間に作用する物理量に基づくカンチレ
バーのたわみ量をＺ微動機構で制御し、ＸＹ微動機構で
試料の表面を走査して試料を測定する装置であり、Ｚ微
動機構をくちばし状部材の先部に取り付け、カンチレバ
ーをＺ微動機構に取り付ける共に、Ｚ微動機構は、くち
ばし状部材に平板状弾性部材を介して結合される駆動部
材と、くちばし状部材と駆動部材との間に介設される圧
電素子とからなるように構成される。
ーブ顕微鏡は、試料に対向する探針を先部に備えたカン
チレバーと、試料の表面とカンチレバーの背面を観察し
得る補助観察装置と、この補助観察装置の視野内にカン
チレバーを配置させるくちばし状部材と、カンチレバー
の変位を検出する変位検出装置と、探針と試料の相対的
位置を変位させるＸＹ微動機構およびＺ微動機構とを備
え、探針と試料の間に作用する物理量に基づくカンチレ
バーのたわみ量をＺ微動機構で制御し、ＸＹ微動機構で
試料の表面を走査して試料を測定する装置であり、Ｚ微
動機構をくちばし状部材の先部に取り付け、カンチレバ
ーをＺ微動機構に取り付ける共に、Ｚ微動機構は、くち
ばし状部材に平板状弾性部材を介して結合される駆動部
材と、くちばし状部材と駆動部材との間に介設される圧
電素子とからなるように構成される。
【００１５】本発明は、前記の構成において、補助観察
装置が光学顕微鏡であることを特徴とする。
装置が光学顕微鏡であることを特徴とする。
【００１６】
【００１７】
【作用】本発明では、カンチレバーのみを取り付けるＺ
微動機構は、駆動質量や慣性モーメントを小さくするこ
とができるので、固有振動数が小さくなり、Ｚ軸方向の
サーボ制御の特性を高め、Ｚ軸サーボの高速化が実現さ
れる。
微動機構は、駆動質量や慣性モーメントを小さくするこ
とができるので、固有振動数が小さくなり、Ｚ軸方向の
サーボ制御の特性を高め、Ｚ軸サーボの高速化が実現さ
れる。
【００１８】
【実施例】以下に、本発明の好適実施例を図１〜図７に
基づいて説明する。この実施例では、光学顕微鏡と複合
化された原子間力顕微鏡について説明する。図１は本発
明の基本的構成、図２は部分的に拡大した具体的構成を
示し、各図において図１０等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。
基づいて説明する。この実施例では、光学顕微鏡と複合
化された原子間力顕微鏡について説明する。図１は本発
明の基本的構成、図２は部分的に拡大した具体的構成を
示し、各図において図１０等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。
【００１９】図１において、ＸＹステージ２６の上にＸ
Ｙ微動機構５１が設けられる。ＸＹステージ２６とＸＹ
微動機構５１は大型の試料を載置するためのものであ
り、ＸＹ微動機構５１の上にシリコンウェハ等の大型の
被測定試料２１が載置される。ＸＹステージ２６はＸ軸
方向のステージ２６ａとＹ軸方向のステージ２６ｂから
なり、図示しないテーブルに固定される。試料２１の上
側には、先端に探針１４を設けたカンチレバー１３が配
置される。固定されたカンチレバー接近機構２４にはく
ちばし状部材３１が取り付けられ、くちばし状部材３１
の先部にＺ軸微動機構５２が取り付けられる。上記カン
チレバー１３は、駆動部材５３を介してＺ微動機構５２
に取り付けられる。また試料２１の上方には光学顕微鏡
２５が配置され、光学顕微鏡２５は固定される。カンチ
レバー１３の先部と探針１４は、光学顕微鏡２５の視野
内に含まれる。なお１５は、検出光学系の一部であるレ
ーザ光源を示す。本実施例の検出光学系は、カンチレバ
ー１３の長手方向と直交する方向に配置される。光学顕
微鏡２５の向う側に光検出器（図示せず）が配置され
る。
Ｙ微動機構５１が設けられる。ＸＹステージ２６とＸＹ
微動機構５１は大型の試料を載置するためのものであ
り、ＸＹ微動機構５１の上にシリコンウェハ等の大型の
被測定試料２１が載置される。ＸＹステージ２６はＸ軸
方向のステージ２６ａとＹ軸方向のステージ２６ｂから
なり、図示しないテーブルに固定される。試料２１の上
側には、先端に探針１４を設けたカンチレバー１３が配
置される。固定されたカンチレバー接近機構２４にはく
ちばし状部材３１が取り付けられ、くちばし状部材３１
の先部にＺ軸微動機構５２が取り付けられる。上記カン
チレバー１３は、駆動部材５３を介してＺ微動機構５２
に取り付けられる。また試料２１の上方には光学顕微鏡
２５が配置され、光学顕微鏡２５は固定される。カンチ
レバー１３の先部と探針１４は、光学顕微鏡２５の視野
内に含まれる。なお１５は、検出光学系の一部であるレ
ーザ光源を示す。本実施例の検出光学系は、カンチレバ
ー１３の長手方向と直交する方向に配置される。光学顕
微鏡２５の向う側に光検出器（図示せず）が配置され
る。
【００２０】図１で明らかなように、本実施例では、Ｘ
軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各方向の微動を行う機構をＸＹ微動機
構５１とＺ微動機構５２に分離し、Ｚ微動機構５２をく
ちばし状部材３１の先部に設け、ＸＹ微動機構５１を例
えば試料２１の側に設けるように構成した。Ｚ微動機構
５２に取り付けられるのは、探針１４を有するカンチレ
バー１３と軽量の駆動部材５３であるので、Ｚ微動機構
５２と関して、その動作に影響を与える質量（ｍ）や慣
性モーメントを極めて小さくすることができ、これによ
ってＺ軸方向のサーボ制御の特性を高め、応答性を高く
することができる。従って、補助観察装置として光学顕
微鏡２５と複合された原子間力顕微鏡において、くちば
し状部材３１を利用する構造を有するものにおいても測
定の性能を非常に高いものとすることができる。
軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各方向の微動を行う機構をＸＹ微動機
構５１とＺ微動機構５２に分離し、Ｚ微動機構５２をく
ちばし状部材３１の先部に設け、ＸＹ微動機構５１を例
えば試料２１の側に設けるように構成した。Ｚ微動機構
５２に取り付けられるのは、探針１４を有するカンチレ
バー１３と軽量の駆動部材５３であるので、Ｚ微動機構
５２と関して、その動作に影響を与える質量（ｍ）や慣
性モーメントを極めて小さくすることができ、これによ
ってＺ軸方向のサーボ制御の特性を高め、応答性を高く
することができる。従って、補助観察装置として光学顕
微鏡２５と複合された原子間力顕微鏡において、くちば
し状部材３１を利用する構造を有するものにおいても測
定の性能を非常に高いものとすることができる。
【００２１】図２を参照してくちばし状部材とＺ微動機
構の具体的な構成例を説明する。３１はブロック形状の
上記くちばし状部材、５３は上記駆動部材であり、くち
ばし状部材３１と駆動部材５３は平板状弾性部材５４で
結合され、かつくちばし状部材３１と駆動部材５３との
間に圧電素子５５が介設される。圧電素子５５はＺ軸微
動機構としての機能を有し、圧電素子５５に電圧を印加
することにより、駆動部材５３をＺ軸方向に変位させる
ことができ、探針をＺ軸方向に微動させることができ
る。なお駆動部材５３に取り付けられるカンチレバー１
３の部分を拡大して示すと、図３のようになる。カンチ
レバー１３は保持部５６を介して駆動部材５３に固定さ
れる。上記構成によれば、駆動質量、慣性モーメントを
極めて小さくすることができる。上記弾性部材５４は、
Ｚ軸方向の微動のための手段であってＺ軸方向の案内の
役割を有すると共に、Ｘ軸およびＹ軸の方向、さらに回
転方向に関して剛性を高めることができ、より高速なサ
ーボ制御を行うことを可能にする。駆動部材５３のサイ
ズの微小化は可能なかぎり行うことができる。この場合
において、駆動部材５３のサイズを、保持部５６を有す
るカンチレバー１３を駆動部材５３に対して容易に着脱
交換を行える程度の大きさにしたとしても、Ｚ微動機構
を含む機構全体の固有振動数を容易に数ＫＨｚにするこ
とができる。上記の構造によれば、かかる特性を有する
ことから、実際に、くちばし状部材を使用しない構造を
有した従来の原子間力顕微鏡と同等の応答性を有してい
る。
構の具体的な構成例を説明する。３１はブロック形状の
上記くちばし状部材、５３は上記駆動部材であり、くち
ばし状部材３１と駆動部材５３は平板状弾性部材５４で
結合され、かつくちばし状部材３１と駆動部材５３との
間に圧電素子５５が介設される。圧電素子５５はＺ軸微
動機構としての機能を有し、圧電素子５５に電圧を印加
することにより、駆動部材５３をＺ軸方向に変位させる
ことができ、探針をＺ軸方向に微動させることができ
る。なお駆動部材５３に取り付けられるカンチレバー１
３の部分を拡大して示すと、図３のようになる。カンチ
レバー１３は保持部５６を介して駆動部材５３に固定さ
れる。上記構成によれば、駆動質量、慣性モーメントを
極めて小さくすることができる。上記弾性部材５４は、
Ｚ軸方向の微動のための手段であってＺ軸方向の案内の
役割を有すると共に、Ｘ軸およびＹ軸の方向、さらに回
転方向に関して剛性を高めることができ、より高速なサ
ーボ制御を行うことを可能にする。駆動部材５３のサイ
ズの微小化は可能なかぎり行うことができる。この場合
において、駆動部材５３のサイズを、保持部５６を有す
るカンチレバー１３を駆動部材５３に対して容易に着脱
交換を行える程度の大きさにしたとしても、Ｚ微動機構
を含む機構全体の固有振動数を容易に数ＫＨｚにするこ
とができる。上記の構造によれば、かかる特性を有する
ことから、実際に、くちばし状部材を使用しない構造を
有した従来の原子間力顕微鏡と同等の応答性を有してい
る。
【００２２】Ｚ微動機構５２の構造については、その他
に各種のものを考えることができる。その例を図４、図
５に示す。図４の構造は、図２で説明した構造におい
て、平板状弾性部材５４を取り除いたものを示す。これ
によって構成を簡略化でき、製作コストを低減すること
ができる。図５に示す構造は、弾性部材として並行板バ
ネ５７を使用した例を示す。この構成によれば、Ｚ軸方
向の正確な移動を可能にし、これにより原子間力顕微鏡
の測定精度を向上することができる。
に各種のものを考えることができる。その例を図４、図
５に示す。図４の構造は、図２で説明した構造におい
て、平板状弾性部材５４を取り除いたものを示す。これ
によって構成を簡略化でき、製作コストを低減すること
ができる。図５に示す構造は、弾性部材として並行板バ
ネ５７を使用した例を示す。この構成によれば、Ｚ軸方
向の正確な移動を可能にし、これにより原子間力顕微鏡
の測定精度を向上することができる。
【００２３】上記の実施例において、ＸＹ微動機構５１
を試料２１の側に配置することは必須ではなく、くちば
し状部材３１とカンチレバー接近機構２４の間に構成す
ることもできる。ＸＹ微動機構５１の一例を図６に示
す。ＸＹ微動機構５１において、固定用剛体５１Ｘ，５
１Ｘと移動用剛体５１Ａとこれらを連結する平行板バネ
６１〜６４と剛体５１Ａ，５１Ｘの間に介設される圧電
素子６５，６５とによってＸ微動機構が形成され、圧電
素子６５，６５に電圧を印加すると、移動用剛体５１Ａ
にＸ軸方向の変位Ｕｘが生じる。また同じように、剛体
５１Ｙ，５１Ｙと剛体５１Ａとこれらを連結する平行板
バネ７１〜７４と剛体５１Ａ，５１Ｙの間に介設される
圧電素子７５，７５とによってＹ微動機構が形成され
る。この場合、圧電素子７５，７５に電圧を印加する
と、剛体５１Ａを基準としてＹ軸方向に変位Ｕｙが生じ
るように剛体５１Ｙ，５１ＹをＹ軸方向に移動できる。
かかるＸＹ微動機構５１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。
を試料２１の側に配置することは必須ではなく、くちば
し状部材３１とカンチレバー接近機構２４の間に構成す
ることもできる。ＸＹ微動機構５１の一例を図６に示
す。ＸＹ微動機構５１において、固定用剛体５１Ｘ，５
１Ｘと移動用剛体５１Ａとこれらを連結する平行板バネ
６１〜６４と剛体５１Ａ，５１Ｘの間に介設される圧電
素子６５，６５とによってＸ微動機構が形成され、圧電
素子６５，６５に電圧を印加すると、移動用剛体５１Ａ
にＸ軸方向の変位Ｕｘが生じる。また同じように、剛体
５１Ｙ，５１Ｙと剛体５１Ａとこれらを連結する平行板
バネ７１〜７４と剛体５１Ａ，５１Ｙの間に介設される
圧電素子７５，７５とによってＹ微動機構が形成され
る。この場合、圧電素子７５，７５に電圧を印加する
と、剛体５１Ａを基準としてＹ軸方向に変位Ｕｙが生じ
るように剛体５１Ｙ，５１ＹをＹ軸方向に移動できる。
かかるＸＹ微動機構５１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。
【００２４】なお本実施例による構成は、大型試料用の
原子間力顕微鏡に限定されるものではなく、小型試料を
測定する光学顕微鏡複合型原子間力顕微鏡として利用す
ることもできる。この場合には、チューブ型ＸＹ微動機
構で試料を走査する方式に対しても十分に実用可能であ
る。
原子間力顕微鏡に限定されるものではなく、小型試料を
測定する光学顕微鏡複合型原子間力顕微鏡として利用す
ることもできる。この場合には、チューブ型ＸＹ微動機
構で試料を走査する方式に対しても十分に実用可能であ
る。
【００２５】図７ではレーザ光源１５と光検出器１７か
らなる検出光学系の構成例を示し、（ａ）は正面図、
（ｂ）は側面図である。図から明らかなように、カンチ
レバー１３がたわむ方向を含む平面に対してレーザ光１
６の光路が直交するように検出光学系が配置される。こ
れによって、光学顕微鏡が複合された原子間力顕微鏡に
おける光てこ光学系と光学顕微鏡の干渉の問題を解決し
ている。
らなる検出光学系の構成例を示し、（ａ）は正面図、
（ｂ）は側面図である。図から明らかなように、カンチ
レバー１３がたわむ方向を含む平面に対してレーザ光１
６の光路が直交するように検出光学系が配置される。こ
れによって、光学顕微鏡が複合された原子間力顕微鏡に
おける光てこ光学系と光学顕微鏡の干渉の問題を解決し
ている。
【００２６】上記の実施例では、補助観察装置としての
光学顕微鏡と複合された原子間力顕微鏡について説明し
たが、本発明はこれに限定されず、その他の補助観察装
置を備える走査型プローブ顕微鏡に一般的に用いること
ができる。
光学顕微鏡と複合された原子間力顕微鏡について説明し
たが、本発明はこれに限定されず、その他の補助観察装
置を備える走査型プローブ顕微鏡に一般的に用いること
ができる。
【００２７】
【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、走査型プローブ顕微鏡において光学顕微鏡等の補
助観察装置を用いてカンチレバーおよび探針と試料の表
面とを同時に観察することができ、かつくちばし状部材
の先部にＺ微動機構を設け、このＺ微動機構にカンチレ
バーを取り付けるようにしたため、Ｚ微動機構に影響を
与える質量等を小さくすることができ、Ｚ軸方向の制御
に関しサーボ特性を高め高速性を発揮することができ、
走査型プローブ顕微鏡の測定性能を高めることができ
る。
れば、走査型プローブ顕微鏡において光学顕微鏡等の補
助観察装置を用いてカンチレバーおよび探針と試料の表
面とを同時に観察することができ、かつくちばし状部材
の先部にＺ微動機構を設け、このＺ微動機構にカンチレ
バーを取り付けるようにしたため、Ｚ微動機構に影響を
与える質量等を小さくすることができ、Ｚ軸方向の制御
に関しサーボ特性を高め高速性を発揮することができ、
走査型プローブ顕微鏡の測定性能を高めることができ
る。
【図１】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の実施例を
示す構成図である。
示す構成図である。
【図２】図１の要部の具体的拡大構成図である。
【図３】図２に示されたカンチレバー部分の拡大側面図
である。
である。
【図４】くちばし状部材とＺ駆動機構の他の実施例を示
す側面図である。
す側面図である。
【図５】くちばし状部材とＺ駆動機構の他の実施例を示
す側面図である。
す側面図である。
【図６】ＸＹステージの具体的実施例を示す外観斜視図
である。
である。
【図７】検出光学系の配置構成例を示す図である。
【図８】従来の原子間力顕微鏡の基本構成を示す構成図
である。
である。
【図９】従来の原子間力顕微鏡の他の例を示す構成図で
ある。
ある。
【図１０】従来の原子間力顕微鏡のさらなる他の例を示
す構成図である。
す構成図である。
【図１１】図１０に示した装置における光学顕微鏡の視
野の状態を示す図である。
野の状態を示す図である。
【図１２】図１０で示した従来の例を問題を説明するた
めの図である。
めの図である。
１３ カンチレバー
１４ 探針
１５ レーザ光源
１６ レーザ光
２１ 試料
２４ カンチレバー接近機構
２５ 光学顕微鏡
２６ ＸＹステージ
３１ くちばし状部材
５１ ＸＹ微動機構
５２ Ｚ微動機構
５３ 駆動部材
５４ 弾性部材
５５ 圧電素子
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平３−199904（ＪＰ，Ａ)
特開 平３−110403（ＪＰ，Ａ)
特開 平５−312563（ＪＰ，Ａ)
特開 平５−340713（ＪＰ，Ａ)
特開 平５−113308（ＪＰ，Ａ)
特開 平５−126515（ＪＰ，Ａ)
特開 平５−209713（ＪＰ，Ａ)
特開 平７−181030（ＪＰ，Ａ)
特開 平８−122342（ＪＰ，Ａ)
特開 平８−35972（ＪＰ，Ａ)
特開 平８−68799（ＪＰ，Ａ)
特開 平８−226928（ＪＰ，Ａ)
特開 平７−198731（ＪＰ，Ａ)
実開 平５−55008（ＪＰ，Ｕ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G01N 13/10 - 13/24
G12B 21/00 - 21/24
ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (2)
- 【請求項１】 試料に対向する探針を先部に備えたカン
チレバーと、前記試料の表面と前記カンチレバーの背面
を観察し得る補助観察装置と、この補助観察装置の視野
内に前記カンチレバーを配置させるくちばし状部材と、
前記カンチレバーの変位を検出する変位検出装置と、前
記探針と前記試料の相対的位置を変位させるＸＹ微動機
構およびＺ微動機構とを備え、前記探針と前記試料の間
に作用する物理量に基づく前記カンチレバーのたわみ量
を前記Ｚ微動機構で制御し、前記ＸＹ微動機構で前記試
料の表面を走査して前記試料を測定する走査型プローブ
顕微鏡において、 前記Ｚ微動機構を前記くちばし状部材の先部に取り付
け、前記カンチレバーを前記Ｚ微動機構に取り付けると
共に、前記Ｚ微動機構は、前記くちばし状部材に平板状
弾性部材を介して結合される駆動部材と、前記くちばし
状部材と前記駆動部材との間に介設される圧電素子とか
らなることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。 - 【請求項２】 前記補助観察装置は光学顕微鏡であるこ
とを特徴とする請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04239595A JP3512259B2 (ja) | 1995-02-07 | 1995-02-07 | 走査型プローブ顕微鏡 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04239595A JP3512259B2 (ja) | 1995-02-07 | 1995-02-07 | 走査型プローブ顕微鏡 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08211075A JPH08211075A (ja) | 1996-08-20 |
| JP3512259B2 true JP3512259B2 (ja) | 2004-03-29 |
Family
ID=12634885
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP04239595A Expired - Fee Related JP3512259B2 (ja) | 1995-02-07 | 1995-02-07 | 走査型プローブ顕微鏡 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3512259B2 (ja) |
-
1995
- 1995-02-07 JP JP04239595A patent/JP3512259B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH08211075A (ja) | 1996-08-20 |
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