(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カンチレバーの先部に設けられた探針を試料の表面に接近させ、前記探針を前記試料表面に沿って走査移動させて前記試料表面の形状に関する情報を得る走査型プローブ顕微鏡において、
探針を走査移動させる際に探針に小さい振幅の振動を定常的に与え、さらに離散的に設定されたデータ取得点では前記探針に大きな振幅の振動を与える加振手段と、
前記探針を前記試料に接近・退避させる移動手段と、
前記探針の位置変化を検出する位置検出手段と、
前記位置検出手段の検出信号を入力し、前記各データ取得点では前記大きな振幅で加振された前記探針の振幅が前記小さい振幅と前記大きな振幅の間の所定の一定値となるように前記移動手段を制御し、前記データ取得点の間の走査移動時には特別な退避動作を行わずに、前記探針の振幅が前記小さい振幅の時には直前の移動手段の駆動信号を保持すると共に前記探針の振幅が前記小さい振幅以下になった時には前記探針の振幅が前記小さい振幅になるように前記移動手段を制御する制御手段と、
前記制御手段の制御信号に基づき前記試料の表面形状に関する情報を求める処理手段と、
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】
カンチレバーの先部に設けられた探針を試料の表面に接近させ、前記探針を前記試料表面に沿って走査移動させて前記試料表面の形状に関する情報を得る走査型プローブ顕微鏡の測定方法であり、
探針を走査移動させる際に探針に小さい振幅の振動を定常的に与え、さらに離散的に設定されたデータ取得点では前記探針に大きな振幅の振動を与え、
前記各データ取得点では前記大きな振幅で加振された前記探針の振幅が前記小さい振幅と前記大きな振幅の間の所定の一定値となるようにして前記探針を前記試料に接近させ、前記データ取得点の間の走査移動時には特別な退避動作を行わずに、前記探針の振幅が前記小さい振幅の時にはその状態を保持すると共に前記探針の振幅が前記小さい振幅以下になった時には前記探針の振幅が前記小さい振幅になるように制御し、
前記試料の表面形状に関する情報を求める、
ことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の測定方法。
【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およびその測定方法に関し、特に、高速な走査を行い測定時間を短縮する走査型プローブ顕微鏡およびその測定方法に関するものである。
【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。
【０００３】
走査型プローブ顕微鏡の測定方法の一例として特開平１−１６９３０４号公報に示される方法がある。この文献に示される測定方法は、ＳＴＭの測定方法であり、測定時における探針の走査移動において試料表面との衝突を避けると共に高速な移動を可能にするものである。その測定方法の具体的な内容は、試料表面に沿って移動するときには、試料表面から十分に離れた距離で移動し、測定すべき位置に到達したときに試料表面にトンネル電流が流れる程度の距離まで接近移動し、所定のトンネル電流を流れるのを測定した後試料表面から離れて上記距離まで移動し、その後、同様に測定箇所間の走査移動と測定箇所での測定移動とを繰り返す。このように測定を行う箇所以外は、試料表面から離れて衝突を心配することなく高速で移動できるので、走査時間を短縮し、大きな面積の試料面を測定することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
試料の表面において大きな範囲を走査型プローブ顕微鏡で測定する場合、測定に要する時間を短くすることが望まれる。この要望を満たすために、前述した特開平１−１６９３０４号公報に示される走査型トンネル顕微鏡の測定方法を利用することができる。しかし、この測定方法によれば、試料表面に接近したり試料表面から離れたりする移動を各測定箇所で多く行わなければならないため、走査速度をそれ程高めることができず、測定時間の短縮について或る程度の制限を受けるという問題があった。
【０００５】
本発明の目的は、上記の問題に鑑み、試料表面における例えば数百ミクロンの大きな範囲を測定する場合、高速に走査して短時間で測定できる走査型プローブ顕微鏡およびその測定方法を提供することにある。
【０００６】
【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、カンチレバーの先部に設けられた探針を試料の表面に接近させ、この探針を試料表面に沿って走査移動させて試料表面の形状に関する情報を得る走査型プローブ顕微鏡であり、探針を走査移動させる際に探針に小さい振幅の振動を定常的に与え、さらに離散的に設定されたデータ取得点では探針に大きな振幅の振動を与える加振手段と、探針を試料に接近・退避させる移動手段と、探針の位置変化を検出する位置検出手段と、位置検出手段の検出信号を入力し、各データ取得点では大きな振幅で加振された探針の振幅が小さい振幅と大きな振幅の間の所定の一定値となるように移動手段を制御し、データ取得点の間の走査移動時には特別な退避動作を行わずに、探針の振幅が小さい振幅の時には直前の移動手段の駆動信号を保持すると共に探針の振幅が小さい振幅以下になった時には探針の振幅が前記小さい振幅になるように移動手段を制御する制御手段と、制御手段の制御信号に基づき試料の表面形状に関する情報を求める処理手段とによって構成される。
【０００７】
本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の測定方法は、カンチレバーの先部に設けられた探針を試料の表面に接近させ、探針を試料表面に沿って走査移動させて試料表面の形状に関する情報を得る方法であり、探針を走査移動させる際に探針に小さい振幅の振動を定常的に与え、さらに離散的に設定されたデータ取得点では探針に大きな振幅の振動を与え、各データ取得点では大きな振幅で加振された探針の振幅が小さい振幅と大きな振幅の間の所定の一定値となるようにして探針を試料に接近させ、データ取得点の間の走査移動時には特別な退避動作を行わずに、探針の振幅が小さい振幅の時にはその状態を保持すると共に探針の振幅が小さい振幅以下になった時には探針の振幅が小さい振幅になるように制御し、試料の表面形状に関する情報を求めるようにした方法である。
【０００８】
上記の測定方法では、各測定予定箇所で大きな振幅の振動が前記探針に対して与えられる。
【０００９】
【作用】
本発明では、走査移動の間一定の小さい振幅の振動が定常的に与えられる探針対してデータ取得点ごとに断続的に大きな振幅を有する振動を与えてその振幅を変化させ、かつ大きな振幅で振動する探針を試料表面に接近させて当該振動の振幅を所望の状態に制御することにより試料表面の凹凸形状の測定を可能にする。探針に与えた大きな振幅の振動とカンチレバーの試料方向への移動を組み合わせることによって各測定箇所で試料表面の高さに関する情報を得ることができるので、カンチレバーの全体を単に試料に対して接近・退避させる測定方法に比較して走査速度を高めることができる。従って、走査移動に要する時間を短縮でき、大きな測定範囲を高速に測定できる。
【００１０】
【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。
【００１１】
図１は本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の一例として原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の構成を示す。測定対象である試料１１は、ＸＹＺスキャナ１２の上に配置される。ＸＹＺスキャナ１２は、Ｘ軸方向への変位を生じる圧電素子、Ｙ軸方向への変位を生じる圧電素子、Ｚ軸方向への変位を生じる圧電素子を備え、制御装置から各圧電素子に対して駆動信号を与えられることによって、試料１１を任意の方向に微小に移動させる。ＸＹＺスキャナ１２はＺ軸粗動機構２６を介してフレーム１３の下部に固定される。Ｚ軸粗動機構２６は圧電素子を内蔵し、Ｚ軸方向の比較的に大きな距離で移動させるための機構である。他方、フレーム１３の上部には加振器１４を介してカンチレバー１５が配置される。加振器１４は圧電素子を用いて構成される。カンチレバー１５の先端には探針１６が設けられる。探針１６の先端は試料１１の表面に臨む。ＸＹＺスキャナ１２で試料１１の位置をＸ軸、Ｙ軸の各方向に移動させることによって、相対的に試料１１の表面上で探針１６を走査移動させることができる。またカンチレバー１５は加振器１４によって加振され、その結果探針１６が振動する。カンチレバー１５の上方にはレーザ光源１７と光検出器１８が配置される。レーザ光源１７から出射されたレーザ光１９は、カンチレバー１５の背面に設けられた反射面に照射され、そこで反射して光検出器１８に入射するように設定される。カンチレバー１５の先部が図中高さ方向すなわちＺ軸方向に移動すると、光検出器１８におけるレーザ光１９の入射位置が変化する。光検出器１８におけるレーザ光１９の入射位置を検出することによって、探針１６のＺ軸方向の位置変位を検出することができる。レーザ光源１７と光検出器１８によって探針１６の位置を検出するための位置検出装置が構成される。
【００１２】
上記の機構的部分に対して制御・演算処理部分が設けられる。２０は制御・演算処理装置、２１は表示装置である。制御・演算処理装置２０は、ＸＹＺスキャナ１２に含まれるＸ軸方向圧電素子とＹ軸方向圧電素子に対して駆動制御信号を与え、この駆動制御信号はＸＹ駆動回路２２を経由して駆動信号Ｖｘ，Ｖｙとして供給される。また制御・演算処理装置２０は、Ｚ軸粗動機構２６のＺ軸方向圧電素子に対して駆動制御信号を直接的に駆動信号Ｖｚ２として供給する。制御・演算処理装置２０の制御に基づき生成される駆動信号Ｖｘ，Ｖｙによって試料１１の表面における測定範囲が設定され、当該測定範囲の探針１６による走査が可能となる。また制御・演算処理装置２０の制御に基づき生成される駆動信号Ｖｚ２によって探針１６と試料１１の表面との距離が調整される。
【００１３】
また制御・演算処理装置２０は加振用制御信号を出力し、この加振用制御信号はカンチレバー加振回路２４で加振用駆動信号（以下加振信号という）Ｖｏｕｔ  に変換され、加振信号Ｖｏｕｔ  は加振器１４に与えられる。加振信号Ｖｏｕｔ  を与えられた加振器１４は、加振信号Ｖｏｕｔ  に基づいて後述するような特性を有する振動をカンチレバー１５に与える。上記加振信号Ｖｏｕｔ  の波形の例を、図２の（Ａ）に示す。
【００１４】
一方、加振信号Ｖｏｕｔ  に基づいて加振器１４によってカンチレバー１５が振動し、その結果探針１６が振動すると、前述の光検出器１８から位置検出信号Ｖｉｎが出力される。位置検出信号Ｖｉｎは探針１６が試料表面から原子間力の影響を受けないとき、図２の（Ｂ）に示すような波形で生じる。この位置検出信号Ｖｉｎは振幅検出回路２５に入力される。振幅検出回路２５では位置検出信号Ｖｉｎの振幅が検出される。振幅検出回路２５で検出された振幅に関する信号はサーボ回路２７に入力される。サーボ回路２７は、振幅検出回路２５で検出される振幅に関する信号が予め設定された値に保持されるようにＺ駆動回路２３に対して制御信号を供給する。Ｚ駆動回路２３から出力される駆動信号Ｖｚ１はＸＹＺスキャナ１２に内蔵されるＺ軸方向圧電素子に供給され、振幅検出回路２５で検出される振幅に関する信号が予め設定された値に保持される。またサーボ回路２７から出力される制御信号は制御・演算処理装置２０にも供給される。当該制御信号は、制御・演算処理装置２０において試料１１の表面の高さに関する情報として扱われる。なお当該制御信号の代わりに駆動信号Ｖｚ１を用いてもよい。
【００１５】
以上の構成を有するＡＦＭの測定動作を、上記の図１と図２〜図４を参照して説明する。
【００１６】
このＡＦＭの測定によれば、駆動信号Ｖｘ，ＶｙによってＸＹＺスキャナ１２を作動させることにより試料１１の表面において設定された測定範囲で探針１６による走査を行う時、上記の加振信号Ｖｏｕｔ  を加振器１４に与えてカンチレバー１５を加振する。カンチレバー加振回路２４から出力される加振信号Ｖｏｕｔ  の波形を図２の（Ａ）と図３に示す。加振信号Ｖｏｕｔ  は、カンチレバー１５の共振周波数またはその近傍の周波数を有する交流信号であり、一定の小さい振幅Ｖｏｍｉｎを有する振動が定常的に与えれる状態において、一定の時間間隔Ｔ２で断続的に期間Ｔ１の間振幅Ｖｏｍｉｎよりも大きな振幅Ｖｏｍａｘを有する振動で加振されて生じる交流信号である。図２の（Ａ）や図３に示される加振信号が加振器１４からカンチレバー１５に与えられると、探針１６は加振信号と同じ振幅特性で振動することになる。
【００１７】
図２の（Ａ）に示す加振信号Ｖｏｕｔ  で探針１６が振動したとすると、探針１６が、試料１１の表面から、原子間力という物理的作用の影響を当該表面から受けない十分な距離で離れているときには、図２の（Ｂ）に示す検出信号Ｖｉｎが光検出器１８から得られる。この検出信号Ｖｉｎは、基本的に加振信号Ｖｏｕｔ  と同じ波形を有する交流信号であり、小さい振幅の振動部分（振幅Ｖｉｍｉｎ）と大きな振幅部分（振幅Ｖｉｍａｘ）を含んでいる。加振信号Ｖｏｕｔ  で探針１６が振動した場合に、大きな振幅の振動を与え、探針１６を試料表面に対して所定距離になるように接近させ、試料表面から原子間力の影響を受けるときには、図２の（Ｃ）に示すように、大きな振幅の振動部分の振幅が減少する状態になる。このときの大きな振幅の値はＶｉｓｅｔとなっており、また振幅値ＶｉｓｅｔがＶｉｍｉｎ＜Ｖｉｓｅｔ＜Ｖｉｍａｘの条件を満たすように探針１６を試料表面に接近させる。試料表面の測定を行うときには、このように小さい振幅の振動状態にあるカンチレバー１５を測定予定箇所（データ取得点）で大きな振幅で加振し、そのたびに大きな振幅が上記の値Ｖｉｓｅｔとなるようにサーボ回路２７によってＺ軸方向の位置を調整し、探針１６と試料１１の間の距離を測定に適した距離にする。これによって、サーボ回路２７から出力される制御信号（駆動信号Ｖｚ１であってもよい）を用いて試料表面の凹凸形状に関する情報を得ることができる。
【００１８】
図３は、Ｘ軸方向の一部の探針走査区間と、この区間における加振信号Ｖｏｕｔ  の発生状態、および駆動信号Ｖｘ，Ｖｚ１の発生状態とを示す。図３において横軸は時間軸ｔを示し、縦軸は電圧軸を示す。なお縦軸の電圧では加振信号Ｖｏｕｔ  、駆動信号Ｖｘ，Ｖｚ１の間の大小関係を示すものではなく、図３は単に各信号の時間経過に伴う変化状態を示すものである。
【００１９】
ＸＹＺスキャナ１２内のＸ軸方向の圧電素子に印加される駆動信号（電圧信号）Ｖｘの電圧値は次第に大きくなる。従って、相対的な位置変化によって探針１６は試料表面上でＸ軸方向に変位し、走査移動を行う。そのような走査移動中に、カンチレバー１５は加振信号Ｖｏｕｔ  によって加振される。すなわち、カンチレバー１５（探針１６）は、加振器１４によって定常的に小さい振幅の振動を与えられ、その上に測定箇所ごとに大きな振幅の振動を与えられる。ＡＦＭが測定状態にあるときには、サーボ回路２７は、前述のごとく探針１６と試料１１の表面との距離が振幅の大きい振動の加振時に振幅検出回路２５の出力信号がＶｉｓｅｔとなるようにサーボ制御を行うよう設定されている。その結果、サーボ回路２７は制御信号をＺ駆動回路２３に出力し、当該制御信号に対応する駆動信号Ｖｚ１をＸＹＺスキャナ１２内のＺ軸方向の圧電素子に与える。試料表面を走査する間に得られるサーボ回路２７から出力される制御信号（これに対応する駆動信号Ｖｚ１）によって試料１１の表面の凹凸形状に関する高さ情報を得ることができる。
【００２０】
大きな振幅の振動は時間間隔Ｔ２で繰り返し与えられる。大きな振幅の振動期間が終了すると、探針１６の振幅は小さい値Ｖｏｍｉｎになり、またサーボ回路２７によるサーボ目標値はＶｉｍｉｎに設定される。走査移動中にサーボ回路２７の入力がサーボ目標値Ｖｉｍｉｎを満たしている限り、出力される制御信号すなわち駆動信号Ｖｚ１は一定値に保持され、次の測定箇所すなわちデータ取得点に移動する。仮に走査移動中に探針１６が試料１１に接近し過ぎ衝突のおそれがあるときには、サーボ回路２７のサーボ制御の働きによって試料１１は探針１６から退避するように動作が行われる。
【００２１】
図４は探針１６の走査移動の一例を示し、走査移動３１におけるサーボ制御が効いた非測定状態で移動を行うための移動区間３２と、測定箇所すなわちデータ取得点３３を示す。図４に示されるように、誇張して示されたカンチレバー１５の中心位置（振動の中心、例えば基端の位置）は試料１１の表面の凹凸形状に応じてそのＺ軸方向の高さ位置を変化し、離散的に設定されたデータ取得点３３で前述の測定動作を行う。こうして飛び越し走査が行われる。この走査方法では、或るデータ取得点から次のデータ取得点に移動するまでの間、探針と試料との最接近距離は、図２の（Ｃ）の（Ｖｉｓｅｔ−Ｖｉｍｉｎ）に相当する距離だけ離れており、あえてＺ軸方向の移動機構を用いて試料を退避する必要がないので、高速に移動を行うことができる。またこの移動の間、サーボ回路２７のサーボ制御は働いているので、位置検出装置の出力信号すなわち光検出器１８の出力がＶｉｍｉｎになるような場合には、試料１１を探針１６から退避させるので、カンチレバーや探針および試料が破損するのを防止できる。
【００２２】
前記実施例ではＡＦＭについて説明したが、上記の測定方法は走査型プローブ顕微鏡に一般的に適用することができる。
【００２３】
【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走査移動時および測定時にカンチレバーや探針を所定の振動状態で加振すると共にサーボ制御の作動状態に保持するようにしたため、探針と試料の間を適切な距離に保って各データ取得点の間を移動することができ、かつＺ軸方向の移動を少なくできるため高速に走査移動を行うことができ、またサーボ制御は常に働いている状態にあるので、探針と試料の衝突を避けることができ、カンチレバーや探針、および試料の破損を防ぐことができる。このように、測定時の走査移動を高速化でき、測定時間を短縮化できると共に、広い測定範囲であっても短時間で測定を行うことができる。
【００２４】
また或る測定箇所から次の測定箇所に移動するときにカンチレバーを小さい振幅で振動させているため、衝突回避の動作を行う時に反応良く動作させることができ、かつ高速化に適している。
【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構成図である。
【図２】カンチレバーに与えられる振動（加振信号）の波形、位置検出装置で得られる検出信号の波形、実際測定時に発生する検出信号の波形を示す波形図である。
【図３】加振信号とＸ軸方向駆動信号とＺ軸方向駆動信号の変化状態を示す図である。
【図４】走査時のカンチレバーの振動状態と移動区間とデータ取得点の関係を示す図である。
【符号の説明】
１１                                    試料
１２                                    ＸＹＺスキャナ
１３                                    フレーム
１４                                    加振器
１５                                    カンチレバー
１６                                    探針
１７                                    レーザ光源
１８                                    光検出器
１９                                    レーザ光
２０                                    制御・演算処理装置
２１                                    表示装置
２２                                    ＸＹ駆動回路
２３                                    Ｚ駆動回路
２４                                    カンチレバー加振回路
２５                                    振幅検出回路
２６                                    Ｚ軸粗動機構
２７                                    サーボ回路
【図１】
0003588701.tif 000002
【図２】
0003588701.tif 000003
【図３】
0003588701.tif 000004
【図４】
0003588701.tif 000005