(57)【要約】【課題】  ＸＹ方向へのクロストークを極力なくしてＺ方向への直進性を向上し、高精度に試料の形状情報や物理情報を計測すること。【解決手段】  探針２ａを有するプローブ２と、該プローブ２を固定すると共に電圧を印加されたときに試料表面Ｂに垂直なＺ方向に伸縮するＺアクチュエータ４と、該Ｚアクチュエータ４に電圧を印加する印加手段５と、該印加手段５の作動を制御する制御手段とを備え、Ｚアクチュエータ４が、Ｚ方向に伸縮自在な圧電体２０と、圧電体２０の内周面又は外周面に少なくとも周方向に３つ以上に分割された状態でそれぞれ電気的に独立して設けられ、接触する領域の範囲で圧電体２０に電圧を印加して伸縮させる複数の分割電極２２とを有し、制御手段が、分割電極２２にそれぞれ接触する圧電体２０の各接触領域の伸縮量がそれぞれ同一となるように、予め決められた電圧印加量の比率で電圧を印加するよう印加手段５を制御する表面情報計測装置１を提供する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
探針を試料表面に近接又は接触させて、試料表面の形状情報又は試料の物理情報を計測する表面情報計測装置であって、
前記探針を先端に有し、前記試料の上方に配されたプローブと、
該プローブを先端に固定すると共に、電圧を印加されたときに前記試料表面に垂直なＺ方向に伸縮して、プローブを試料表面に対して接近離間させるＺアクチュエータと、
該Ｚアクチュエータに電圧を印加する印加手段と、
該印加手段の作動を制御する制御手段とを備え、
前記Ｚアクチュエータは、断面筒状で前記Ｚ方向に延びて形成されて該Ｚ方向に伸縮自在な圧電体と、該圧電体の内周面又は外周面に少なくとも周方向に３つ以上に分割された状態でそれぞれ電気的に独立して設けられ、接触する領域の範囲で圧電体に電圧を印加してＺ方向に伸縮させる複数の分割電極とを有し、
前記印加手段は、前記複数の分割電極にそれぞれ異なる量の電圧を同時に印加可能とされ、
前記制御手段は、前記複数の分割電極にそれぞれ接触する前記圧電体の各接触領域の伸縮量がそれぞれ同一となるように、予め決められた電圧印加量の比率で電圧を印加するよう前記印加手段を制御することを特徴とする表面情報計測装置。
【請求項２】
請求項１記載の表面情報計測装置において、
前記複数の分割電極に同一量の電圧を印加させて、前記Ｚアクチュエータの先端近傍が前記Ｚ方向に直交するＸＹ方向に変位する変位量及び方向を測定する変位測定手段を備え、
前記制御部は、前記変位測定手段で測定した測定結果に基づいて前記電圧印加量の比率を設定することを特徴とする表面情報計測装置。
【請求項３】
請求項１記載の表面情報計測装置において、
前記制御部は、前記複数の分割電極のそれぞれに同一量の電圧を印加させて、複数の分割電極に接触する前記圧電体の接触領域の圧電感度をそれぞれ測定した測定結果に基づいて、前記電圧印加量の比率を設定することを特徴とする表面情報計測装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の表面情報計測装置において、
前記複数の分割電極は、前記圧電体の周方向に均等配置されていることを特徴とする表面情報計測装置。
【請求項５】
探針を試料表面に近接又は接触させて、試料表面の形状情報又は試料の物理情報を計測する表面情報計測装置であって、
前記探針を先端に有し、前記試料の上方に配されたプローブと、
該プローブを先端に固定すると共に、電圧を印加されたときに前記試料表面に垂直なＺ方向に伸縮して、プローブを試料表面に対して接近離間させる積層型Ｚアクチュエータと、
該積層型Ｚアクチュエータに電圧を印加する印加手段と、
該印加手段の作動を制御する制御手段とを備え、
前記積層型Ｚアクチュエータは、前記試料表面に平行な面に沿って配されると共に前記Ｚ方向に伸縮自在なシート状の圧電体と、該圧電体の両面を少なくとも３つ以上の区域にそれぞれ電気的に独立して分割配置された複数の一対電極とを有する圧電素子を、各一対電極が重なり合った状態でＺ方向に複数層備え、  
前記印加手段は、前記複数の一対電極にそれぞれ異なる量の電圧を同時に印加可能とされ、
前記制御手段は、前記複数の一対電極に接触する前記圧電体の伸縮量がそれぞれ同一となるように、予め決められた電圧印加量の比率で電圧を印加するよう前記印加手段を制御することを特徴とする表面情報計測装置。
【請求項６】
探針を試料表面に近接又は接触させて、試料表面の形状情報又は試料の物理情報を計測する表面情報計測装置であって、
前記探針を先端に有し、前記試料の上方に配されたプローブと、
前記試料を上面に載置すると共に試料表面に平行な面に沿って配された平板状の載置台と、
該載置台を下面側から支持すると共に、電圧を印加されたときに前記試料表面に垂直なＺ方向に伸縮して、試料表面を前記プローブに対して接近離間させる少なくとも３つ以上の複数のＺアクチュエータと、
該複数のＺアクチュエータのそれぞれに、異なる量の電圧を同時に印加可能な印加手段と、
前記試料表面を前記プローブに接近離間させる際に、前記複数のＺアクチュエータの伸縮量がそれぞれ同一となるように、予め決められた電圧印加量の比率で電圧を印加するよう前記印加手段を制御する制御手段を備えていることを特徴とする表面情報計測装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の表面情報計測装置において、
前記プローブと前記試料とを、前記試料表面に平行な方向に向けて相対的に移動させる移動手段を備えていることを特徴とする表面情報計測装置。
【請求項８】
断面筒状で試料表面に垂直なＺ方向に延びて形成されて該Ｚ方向に伸縮自在な圧電体と、該圧電体の内周面又は外周面に少なくとも周方向に３つ以上に分割された状態でそれぞれ電気的に独立して設けられ、接触する領域の範囲で圧電体に電圧を印加してＺ方向に伸縮させる複数の分割電極とを備え、試料の上方に配された探針を先端に固定したＺアクチュエータに、電圧を印加してＺ方向に伸縮させると共に探針を試料表面に近接又は接触させた状態で、試料表面の形状情報又は試料の物理情報を計測する表面情報計測方法であって、
前記複数の分割電極に接触する前記圧電体の各接触領域の伸縮量がそれぞれ同一となるように、各分割電極に印加する電圧印加量の比率を設定する印加量設定工程と、
該印加量設定工程により設定された電圧印加量の比率に応じた電圧を、前記複数の分割電極にそれぞれ同時に印加する電圧印加工程とを備えていることを特徴とする表面情報計測方法。
【請求項９】
請求項８記載の表面情報計測方法において、
前記印加量設定工程は、一旦、前記複数の分割電極に同一量の電圧を印加させて、前記Ｚアクチュエータの先端近傍が前記Ｚ方向に直交するＸＹ方向に変位する変位量及び方向を測定する変位測定工程と、
該変位測定工程後、測定結果に基づいて前記電圧印加量の比率を設定する設定工程とを備えていることを特徴とする表面情報計測方法。
【請求項１０】
請求項８記載の表面情報計測方法において、
前記印加量設定工程は、一旦、前記複数の分割電極のそれぞれに同一量の電圧を印加させて、複数の分割電極に接触する前記圧電体の圧電感度をそれぞれ測定する感度測定工程と、
該感度測定工程後、測定結果に基づいて前記電圧印加量の比率を設定する設定工程とを備えていることを特徴とする表面情報計測方法。
【請求項１１】
試料表面に平行な面に沿って配されると共に試料表面に垂直なＺ方向に伸縮自在なシート状の圧電体と、該圧電体の両面を少なくとも３つ以上の区域にそれぞれ電気的に独立して分割配置された複数の一対電極とを有する圧電素子を、各一対電極が重なり合った状態でＺ方向に複数層備えて試料の上方に配された探針を先端に固定した積層型Ｚアクチュエータに、電圧を印加してＺ方向に伸縮させると共に探針を試料表面に近接又は接触させた状態で、試料表面の形状情報又は試料の物理情報を計測する表面情報計測方法であって、
前記複数の一対電極に接触する前記圧電体の伸縮量がそれぞれ同一となるように、各一対電極に印加する電圧印加量の比率を設定する印加量設定工程と、
該印加量設定工程により設定された電圧印加量の比率に応じた電圧を、前記複数の一対電極にそれぞれ同時に印加する電圧印加工程とを備えていることを特徴とする表面情報計測方法。
【請求項１２】
探針を先端に有するプローブの下方に配された試料を、上面に載置すると共に試料表面に平行な面に沿って配された平板状の載置台を下面側から支持する少なくとも３つ以上の複数のＺアクチュエータに、電圧を印加してＺ方向に伸縮させると共に探針を試料表面に近接又は接触させた状態で、試料表面の形状情報又は試料の物理情報を計測する表面情報計測方法であって、
前記複数のＺアクチュエータの伸縮量がそれぞれ同一となるように、該複数のＺアクチュエータに印加する電圧印加量の比率を設定する印加量設定工程と、
該印加量設定工程により設定された電圧印加量の比率に応じた電圧を、前記複数のＺアクチュエータにそれぞれ同時に印加する電圧印加工程とを備えていることを特徴とする表面情報計測方法。
【請求項１３】
請求項８から１２のいずれか１項に記載の表面情報計測方法において、
前記プローブと前記試料とを、試料表面に平行な方向に向けて相対的に移動させる走査工程を備えていることを特徴とする表面情報計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料表面の形状情報や、様々な物理情報（例えば、誘電率、磁化状態、透過率、粘弾性や摩擦係数等）を計測する表面情報計測装置及び表面情報計測方法に関するものである。具体的な表面情報計測装置としては、走査型プローブ顕微鏡、表面粗さ計、硬度計や電気化学顕微鏡等である。
【背景技術】
【０００２】
従来より、プローブ顕微鏡は、主に試料表面の原子レベル分解能での観察に使用されていたが、近年では光ディスクや半導体等の産業分野でも使用され始めている。特に、これらの産業分野では、段差計測、ピッチ計測や角度計測等の測長性能が要求されており、この要求を満たすため、例えば、Ｚ素子にリニアリティの良いハード材を使用したり、ＸＹＺ各軸にセンサを組み込むと共に、センサ信号をフィードバックしてリニアリティを良くしたりする等、様々な改良がなされている。
【０００３】
ここで、上述したプローブ顕微鏡は、様々なものが提供されているが、その１つとして、チューブ型圧電スキャナによりプローブをＸＹＺ方向に微小移動させるプローブ顕微鏡が知られている。
このプローブ顕微鏡６０は、例えば、図１２に示すように、ＸＹ走査用チューブアクチュエータ６１と、該ＸＹ走査用チューブアクチュエータ６１の先端に連結されたＺ駆動用チューブアクチュエータ６２とからなるチューブ型圧電スキャナ６３と、Ｚ駆動用チューブアクチュエータ６２の先端に固定されて先端に探針６４ａを有するカンチレバー６４とを備えている。
上記ＸＹ走査用チューブアクチュエータ６１は、チューブ型圧電体６５と、該チューブ型圧電体６５の内側に配された内側電極６６と、チューブ型圧電体６５の外側に配された外側電極６７とを有している。この外側電極６７は、周方向に均等に４分割されており、それぞれ対向する２つの電極がＸ走査用電極及びＹ走査用電極となっている。
【０００４】
また、上記Ｚ駆動用チューブアクチュエータ６２は、上記ＸＹ走査用チューブアクチュエータ６１と同様に図示しないチューブ型圧電体と、該チューブ型圧電体の内側に配された図示しない内側電極と、チューブ型圧電体の外側に配されたＺ駆動用電極６８とを有している。このＺ駆動用チューブアクチュエータ６２の内側電極と、ＸＹ走査用チューブアクチュエータ６１の内側電極６６とは、電気的に接続されている。つまり、両内側電極は、共通電極となっている。
そして、Ｚ駆動用電極６８の先端に、上記カンチレバー６４が固定されている。
【０００５】
このように構成されたプローブ顕微鏡６０において、チューブ型圧電スキャナ６３により探針６４ａをＸＹＺ方向に動かす場合について説明する。まず、Ｘ方向に動かす場合には、対向する２つのＸ走査用電極６７に、それぞれ極性の異なる電圧を印加する。これにより、チューブ型圧電体６５が湾曲し、ＸＹ走査用チューブアクチュエータ６１全体が湾曲する。この湾曲は、ＸＹ走査用チューブアクチュエータ６１の先端に設けられたＺ駆動用チューブアクチュエータ６２に伝達するので、結果的にカンチレバー６４先端の探針６４ａをＸ方向に移動させることができる。
また、同様に、対向する２つのＹ走査用電極６７に、それぞれ極性の異なる電圧を印加することで、探針６４ａをＹ方向に移動させることができる。このように、Ｘ走査用電極６７及びＹ走査用電極６７にそれぞれ同時に電圧を印加することで、探針６４ａをＸＹ方向に任意に走査させることができる。
【０００６】
また、共通電極及びＺ駆動用電極６８に電圧を印加することで、Ｚ駆動用チューブアクチュエータ６８の圧電体がＺ方向に伸縮する。これにより、探針６４ａをＺ方向に移動させることができる。
このように、ＸＹ走査用チューブアクチュエータ６１及びＺ駆動用チューブアクチュエータ６２からなるチューブ型圧電スキャナ６３により、探針６４ａをＸＹＺ方向にそれぞれ任意に移動させて、試料表面の形状情報や試料の様々な物理情報等（例えば、誘電率、磁化状態、透過率、粘弾性や摩擦係数等）を計測することができる。
【０００７】
ここで、始めに説明した測長の１つである角度計測とは、例えば、ＩＣパターン等の凹凸形状の側壁角度を計測するものである。特に、角度計測性能に対しては、Ｚの直進性が支配的な影響を与える。このＺの直進性とは、上述したＺ駆動用チューブアクチュエータ６２において、Ｚ方向の伸縮動作時に、ＸＹ方向へのクロストーク動作がどれだけ発生するかという指標である。
特に、チューブ型の圧電体は、略１ｍｍ以下の薄肉のセラミック円筒（例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（略称ＰＺＴ）等の材質からなる）であり、薄肉のため肉厚精度の管理が難しい。また、Ｚの直進性は、肉厚に依存するために、チューブ型の圧電体により角度計測性能を向上させるのは困難となっている。また、計測する角度が大きくなるほど、Ｚの直進誤差が角度計測結果に与える影響が大きくなる。特に、近年ではＳＴＩ（シャロートレンチアイソレーション）等垂直に近い側壁の角度を計測したいというニーズが増加しているが、上述したように現状のチューブ型圧電体のＺ直進性は不十分であり、改良が望まれている。
【０００８】
このＺ直進性について、より具体的に説明する。Ｚ直進性は、チューブ型圧電体の同軸度、真円度等の加工精度や分極ムラ等により決定されるものである。
ここで、図１３を参照して、偏芯（内径の中心位置と外径の中心位置とがずれている）しているＺ駆動用チューブアクチュエータ７０を例にして説明する。通常、チューブ型圧電体７１は、円柱型の圧電体の中心を、機械加工により刳り貫いて作製する。そのため、機械加工時の精度不足により穴の中心位置がずれ、図１３に示すように、圧電体７１の厚さに偏り（一方の側の厚さｄ１が他方側の厚さｄ２より薄い状態）が生じて偏芯した状態となってしまう。
このように、偏芯している圧電体７１に電圧を印加した場合には、圧電体７１が薄い側（ｄ１側）では電場が強くなるので伸縮量が大きく、一方、圧電体７１が厚い側（ｄ２側）では電場が弱くなるので伸縮量が小さくなる。その結果、図１３に示すように、圧電体７１はＺ方向に真直ぐに伸縮せず、ＸＹ方向に湾曲、即ち、ＸＹ方向へのクロストークが発生してしまう。つまり、プローブがΔＤｚだけ変位するのに伴って、Ｘ方向の変位ΔＤｘも生じてしまう。この変位ΔＤｚとΔＤｘとの比（ΔＤｘ／ΔＤｚ）が大きいと特に、誤差が大きくなってしまう。
【０００９】
このように、圧電体に偏芯が生じてしまうと、Ｚ方向への直進性が劣ってしまうものであった。その結果、角度計測等の測長を高精度に行えない不都合があった。また、同様に、圧電体の真円度や分極ムラも同様に、Ｚ方向への直進性を劣らせる原因となるものであり、やはり測長を高精度に行うことができない原因となるものである。
ところが、圧電体は略１ｍｍ以下の薄肉のセラミック円筒であるので、加工精度を上げるには限界があり、同軸度、真円度を単純に機械加工で高精度に仕上げることは困難なものであった。また、分極ムラについても同様に、高精度に管理を行うのは困難なものであった。また、製作にかかるコストが高くなると共に手間や時間がかかる不都合もあった。
【００１０】
一方、上述したチューブ型圧電体のＸＹ方向へのクロストークの問題が無く、直進性に優れ、測長性を重視した平行バネ方式スキャナが知られている。この平行バネ方式スキャナ８０は、例えば、図１４に示すように、枠形状の金属板８１と、該金属板８１に、例えば、ワイヤーカット放電加工機で溝を切って形成した平行バネ部８２を介して取り付けられ、一方向に移動可能な可動部８３と、該可動部８３と金属板８１との間に設けられ、金属板８１に対して可動部８３を一方向に向けて動かす積層型圧電素子８４とを備えている。
【００１１】
この平行バネ方式スキャナ８０においては、積層型圧電素子８４に電圧を印加することで、可動部８３を一方向に向けて真直ぐに動かすことができるので、直進性に優れている。また、金属板８１の周囲を更に枠形状の図示しない第２の金属板で囲み、該第２の金属板と金属板８１との間に平行バネ部８２及び積層型圧電素子８４を設けることで、第２の金属板を一方向に直交する他方向に向けて動かすことができる。更に、第２の金属板を一方向及び他方向に直交する方向に動かすことができるように、平行バネ部８２及び積層型圧電素子８４をさらに組み合わせて構成することで、可動部８３をＸＹＺの３方向に向けて真直ぐ動かすこともできる。
【００１２】
ところが、この平行バネ方式スキャナ８０は、上述したチューブ型圧電スキャナ６３に比べて、直進性に優れている反面、大型化して設置スペースと必要とするだけでなく高コストになると共に、共振周波数が低いという欠点があった。
この点、やはりチューブ型圧電スキャナの方が好適に用いられている。そこで、チューブ型圧電スキャナを利用して、ＸＹ方向へのクロストークを補正するプローブ位置補正方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【００１３】
このプローブ位置補正方法は、プローブがＺ方向に移動するのに伴って生じるプローブのＸＹ面内の移動量を観察画像から測定する段階と、移動量に基づいてプローブ位置を補正する段階とを備えている。こうすることで、プローブがＺ方向に移動するのに伴うＸＹ面内のプローブの移動による誤差を補正でき、高精度な試料の観察像等を得ることができる。
【特許文献１】特開２００４−４０２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、上記従来の方法では、以下の課題が残されている。
即ち、特許文献１に記載されているプローブ位置補正方法では、Ｚ駆動用チューブアクチュエータが真直ぐ伸縮しないことが前提となっており、得られた観察像に基づいて単にＸＹ方向の補正を行っているだけのものである。つまり、最終的にプローブが観察した観察画像は、ＸＹ方向へのクロストークが補正された観察画像であるが、Ｚ駆動用チューブアクチュエータ自体は真直ぐ伸縮するものではない。従って、Ｚ駆動用チューブアクチュエータが、ＸＹ方向に傾いてしまったり、横方向（ＸＹ方向）の運動エネルギーを有して
しまうので、ノイズの原因となってしまい正確な試料の計測を行えない恐れがあった。
また、Ｚ方向の移動量に応じた補正電圧をＸＹに出力する必要があるので、回路が複雑化する問題があった。
【００１５】
また、ＸＹ方向へのクロストークをソフトウェアを利用して対処することも困難である。つまり、圧電体のＸＹ方向への動きは、ソフトウェアによる線形化処理が可能であるが、Ｚ方向への動きは、動作のモデル化が事実上不可能である。これは、ＰＺＴ等の圧電体は、ヒステリシスがあるため、印加電圧に対して２つの高さになることがあり、また、ヒステリシスの量は移動量やオフセット量によって変化するためである。従って、ソフトウェアを利用して対処することが難しい。よって、上述した特許文献１に記載されているプローブ位置補正方法等に頼らざるを得ない。
【００１６】
本発明は、このような事情に考慮してなされたもので、その目的は、ＸＹ方向へのクロストークを極力なくしてＺ方向への直進性を向上し、高精度に試料の形状情報や物理情報を計測することができる表面情報計測装置及び表面情報計測方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、前記課題を解決するために以下の手段を提供する。
本発明の表面情報計測装置は、探針を試料表面に近接又は接触させて、試料表面の形状情報又は試料の物理情報を計測する表面情報計測装置であって、前記探針を先端に有し、前記試料の上方に配されたプローブと、該プローブを先端に固定すると共に、電圧を印加されたときに前記試料表面に垂直なＺ方向に伸縮して、プローブを試料表面に対して接近離間させるＺアクチュエータと、該Ｚアクチュエータに電圧を印加する印加手段と、
該印加手段の作動を制御する制御手段とを備え、前記Ｚアクチュエータが、断面筒状で前記Ｚ方向に延びて形成されて該Ｚ方向に伸縮自在な圧電体と、該圧電体の内周面又は外周面に少なくとも周方向に３つ以上に分割された状態でそれぞれ電気的に独立して設けられ、接触する領域の範囲で圧電体に電圧を印加してＺ方向に伸縮させる複数の分割電極とを有し、前記印加手段が、前記複数の分割電極にそれぞれ異なる量の電圧を同時に印加可能とされ、前記制御手段が、前記複数の分割電極にそれぞれ接触する前記圧電体の各接触領域の伸縮量がそれぞれ同一となるように、予め決められた電圧印加量の比率で電圧を印加するよう前記印加手段を制御することを特徴とするものである。
【００１８】
また、本発明の表面情報計測方法は、断面筒状で試料表面に垂直なＺ方向に延びて形成されて該Ｚ方向に伸縮自在な圧電体と、該圧電体の内周面又は外周面に少なくとも周方向に３つ以上に分割された状態でそれぞれ電気的に独立して設けられ、接触する領域の範囲で圧電体に電圧を印加してＺ方向に伸縮させる複数の分割電極とを備え、試料の上方に配された探針を先端に固定したＺアクチュエータに、電圧を印加してＺ方向に伸縮させると共に探針を試料表面に近接又は接触させた状態で、試料表面の形状情報又は試料の物理情報を計測する表面情報計測方法であって、前記複数の分割電極に接触する前記圧電体の各接触領域の伸縮量がそれぞれ同一となるように、各分割電極に印加する電圧印加量の比率を設定する印加量設定工程と、該印加量設定工程により設定された電圧印加量の比率に応じた電圧を、前記複数の分割電極にそれぞれ同時に印加する電圧印加工程とを備えていることを特徴とするものである。
【００１９】
この発明に係る表面情報計測装置及び表面情報計測方法においては、印加手段により、複数の分割電極のそれぞれに電圧を印加すると、分割電極に接触する領域の範囲で圧電体をそれぞれＺ方向に伸縮させることができる。
ここで、まず、印加量設定工程により、複数の分割電極に接触する圧電体の各接触領域の伸縮量がそれぞれ同一となるように、各分割電極に印加する電圧印加量の比率を決定する。これにより、仮に筒状の圧電体の同軸度や真円度が精度良くでていない場合や分極ムラ等の原因により、圧電感度が場所によって異なっていたとしても、分割電極の数に応じて圧電体を複数の領域に分けると共に、各領域がＺ方向に伸縮する伸縮量を制御することができる。
【００２０】
そして、電圧印加工程において、制御手段が設定された電圧印加量の比率に応じた電圧を複数の分割電極にそれぞれ同時に印加させるように印加手段を制御することで、即ち、各接触領域の圧電感度に応じた電圧を印加させることで各接触領域のＺ方向に向かう伸縮量を同一にすることができる。これにより、Ｚアクチュエータ全体の直進性が向上し、Ｚ方向に真直ぐ伸縮させることができる。
その結果、Ｚアクチュエータの先端に固定されたプローブを試料表面に真直ぐに接近離間させることができ、探針を試料表面に近接又は接触させて試料表面の形状情報や物理情報の計測を行える。特に、Ｚアクチュエータ自体の直進性が向上して、ＸＹ方向へのクロストークを極力なくすことができるので、ＸＹクロストークに起因したノイズの発生を低減でき、試料の各種情報を高精度に計測することができる。
また、分割電極は、少なくとも３つ以上設けられているので、ＸＹ方向へのクロストークを確実に抑え、Ｚ方向への直進性を確保することができる。更に、分割電極をより多く有するように構成することで、圧電体をより多くの接触領域に分けることができ、Ｚ方向の伸縮量を制御できる数を増やすことができる。従って、よりＺ方向への直進性を向上することができる。
【００２１】
また、本発明の表面情報計測装置は、上記本発明の表面情報計測装置においては、前記複数の分割電極に同一量の電圧を印加させて、前記Ｚアクチュエータの先端近傍が前記Ｚ方向に直交するＸＹ方向に変位する変位量及び方向を測定する変位測定手段を備え、前記制御部が、前記変位測定手段で測定した測定結果に基づいて前記電圧印加量の比率を設定することを特徴とするものである。
【００２２】
また、本発明の表面情報計測方法は、上記本発明の表面情報計測方法において、前記印加量設定工程が、一旦、前記複数の分割電極に同一量の電圧を印加させて、前記Ｚアクチュエータの先端近傍が前記Ｚ方向に直交するＸＹ方向に変位する変位量及び方向を測定する変位測定工程と、該変位測定工程後、測定結果に基づいて前記電圧印加量の比率を設定する設定工程とを備えていることを特徴とするものである。
【００２３】
この発明に係る表面情報計測装置及び表面情報計測方法においては、変位測定工程により、一旦、複数の分割電極に同一量の電圧を印加させて、圧電体の各接触領域をＺ方向に向けて伸縮させる。そして、この際のＺアクチュエータ全体のＸＹ方向への変位具合を測定する。つまり、変位測定手段により、Ｚアクチュエータの先端近傍がＸＹ方向に変位する変位量及びその方向の測定を行う。これにより、圧電体の圧電分布を測定でき、ＸＹ方向へのクロストークの傾向や特性を把握することができる。
そして、設定工程により、制御部が、測定した測定結果に基づいて、複数の分割電極にそれぞれ印加する電圧印加量の比率を設定する。従って、ＺアクチュエータのＺ方向に向かう直進性をより向上でき、ＸＹ方向へのクロストークをより確実に低減することができる。
【００２４】
また、本発明の表面情報計測装置は、上記本発明の表面情報計測装置において、前記制御部が、前記複数の分割電極のそれぞれに同一量の電圧を印加させて、複数の分割電極に接触する前記圧電体の接触領域の圧電感度をそれぞれ測定した測定結果に基づいて、前記電圧印加量の比率を設定することを特徴とするものである。
【００２５】
また、本発明の表面情報計測方法は、上記本発明の表面情報計測方法において、前記印加量設定工程が、一旦、前記複数の分割電極のそれぞれに同一量の電圧を印加させて、複数の分割電極に接触する前記圧電体の圧電感度をそれぞれ測定する感度測定工程と、該感度測定工程後、測定結果に基づいて前記電圧印加量の比率を設定する設定工程とを備えていることを特徴とするものである。
【００２６】
この発明に係る表面情報計測装置及び表面情報計測方法においては、感度測定工程により、一旦、複数の分割電極のそれぞれに同一量の電圧を印加させて、圧電体の各接触領域をＺ方向に向けて伸縮させる。そして、この際の各接触領域の圧電感度をそれぞれ測定する。
そして、設定工程により、制御部が、測定した測定結果に基づいて、複数の分割電極にそれぞれ印加する電圧印加量の比率を設定する。従って、各接触領域の伸縮量が同一となり、その結果、Ｚアクチュエータ全体のＺ方向に向かう直進性がより向上し、ＸＹ方向へのクロストークを確実に低減することができる。
【００２７】
また、本発明の表面情報計測装置は、上記本発明のいずれかに記載の表面情報計測装置において、前記複数の分割電極が、前記圧電体の周方向に均等配置されていることを特徴とするものである。
【００２８】
この発明に係る表面情報計測装置においては、分割電極が圧電体の周方向に均等配置されているので、同様に分割電極に接する圧電体の接触領域も周方向に同一長さで均等に配置できる。これにより、Ｚ方向に直進するように、各接触領域のＺ方向に向かう伸縮量を調整し易い。
【００２９】
また、本発明の表面情報計測装置は、探針を試料表面に近接又は接触させて、試料表面の形状情報又は試料の物理情報を計測する表面情報計測装置であって、前記探針を先端に有し、前記試料の上方に配されたプローブと、該プローブを先端に固定すると共に、電圧を印加されたときに前記試料表面に垂直なＺ方向に伸縮して、プローブを試料表面に対して接近離間させる積層型Ｚアクチュエータと、該積層型Ｚアクチュエータに電圧を印加する印加手段と、該印加手段の作動を制御する制御手段とを備え、前記積層型Ｚアクチュエータが、前記試料表面に平行な面に沿って配されると共に前記Ｚ方向に伸縮自在なシート状の圧電体と、該圧電体の両面を少なくとも３つ以上の区域にそれぞれ電気的に独立して分割配置された複数の一対電極とを有する圧電素子を、各一対電極が重なり合った状態でＺ方向に複数層備え、前記印加手段が、前記複数の一対電極にそれぞれ異なる量の電圧を同時に印加可能とされ、前記制御手段が、前記複数の一対電極に接触する前記圧電体の伸縮量がそれぞれ同一となるように、予め決められた電圧印加量の比率で電圧を印加するよう前記印加手段を制御することを特徴とするものである。
【００３０】
また、本発明の表面情報計測方法は、試料表面に平行な面に沿って配されると共に試料表面に垂直なＺ方向に伸縮自在なシート状の圧電体と、該圧電体の両面を少なくとも３つ以上の区域にそれぞれ電気的に独立して分割配置された複数の一対電極とを有する圧電素子を、各一対電極が重なり合った状態でＺ方向に複数層備えて試料の上方に配された探針を先端に固定した積層型Ｚアクチュエータに、電圧を印加してＺ方向に伸縮させると共に探針を試料表面に近接又は接触させた状態で、試料表面の形状情報又は試料の物理情報を計測する表面情報計測方法であって、前記複数の一対電極に接触する前記圧電体の伸縮量がそれぞれ同一となるように、各一対電極に印加する電圧印加量の比率を設定する印加量設定工程と、該印加量設定工程により設定された電圧印加量の比率に応じた電圧を、前記複数の一対電極にそれぞれ同時に印加する電圧印加工程とを備えていることを特徴とするものである。
【００３１】
この発明に係る表面情報計測装置及び表面情報計測方法においては、印加手段により、３つ以上の区域に電気的に独立して分割された一対電極にそれぞれ電圧を印加すると、一対電極間に挟まれた各層の圧電体がそれぞれＺ方向に伸縮する。
ここで、まず、印加量設定工程により、複数の一対電極に挟まれた状態で接触する圧電体の伸縮量がそれぞれ同一となるように、各一対電極に印加する電圧印加量の比率を決定する。これにより、仮に圧電体の圧電感度が場所によって異なっていたとしても、一対電極の数に応じて圧電体を複数の領域に分けると共に、各領域がＺ方向に伸縮する伸縮量を制御することができる。
【００３２】
そして、電圧印加工程において、制御手段が設定された電圧印加量の比率に応じた電圧を複数の一対電極にそれぞれ同時に印加させるように印加手段を制御することで、即ち、各領域の圧電感度に応じた電圧を印加させることで各領域のＺ方向に向かう伸縮量を同一にすることができる。これにより、積層型Ｚアクチュエータ全体の直進性が向上し、Ｚ方向に真直ぐ伸縮させることができる。
その結果、積層型Ｚアクチュエータの先端に固定されたプローブを試料表面に真直ぐに接近離間させることができ、探針を試料表面に近接又は接触させて試料表面の形状情報や物理情報の計測を行える。特に、積層型Ｚアクチュエータ自体の直進性が向上して、ＸＹ方向へのクロストークを極力なくすことができるので、ＸＹクロストークに起因したノイズの発生を低減させることができ、試料の各種情報を高精度に計測することができる。
また、一対電極は、少なくとも３つ以上設けられているので、ＸＹ方向へのクロストークを確実に抑え、Ｚ方向への直進性を確保することができる。更に、一対電極をより多く有するように構成することで、圧電体をより多くの領域に分けることができ、Ｚ方向の伸縮量を制御できる数を増やすことができる。従って、よりＺ方向への直進性を向上することができる。
【００３３】
また、本発明の表面情報計測装置は、探針を試料表面に近接又は接触させて、試料表面の形状情報又は試料の物理情報を計測する表面情報計測装置であって、前記探針を先端に有し、前記試料の上方に配されたプローブと、前記試料を上面に載置すると共に試料表面に平行な面に沿って配された平板状の載置台と、該載置台を下面側から支持すると共に、電圧を印加されたときに前記試料表面に垂直なＺ方向に伸縮して、試料表面を前記プローブに対して接近離間させる少なくとも３つ以上の複数のＺアクチュエータと、該複数のＺアクチュエータのそれぞれに、異なる量の電圧を同時に印加可能な印加手段と、前記試料表面を前記プローブに接近離間させる際に、前記複数のＺアクチュエータの伸縮量がそれぞれ同一となるように、予め決められた電圧印加量の比率で電圧を印加するよう前記印加手段を制御する制御手段を備えていることを特徴とするものである。
【００３４】
また、本発明に係る表面情報計測方法は、探針を先端に有するプローブの下方に配された試料を、上面に載置すると共に試料表面に平行な面に沿って配された平板状の載置台を下面側から支持する少なくとも３つ以上の複数のＺアクチュエータに、電圧を印加してＺ方向に伸縮させると共に探針を試料表面に近接又は接触させた状態で、試料表面の形状情報又は試料の物理情報を計測する表面情報計測方法であって、前記複数のＺアクチュエータの伸縮量がそれぞれ同一となるように、該複数のＺアクチュエータに印加する電圧印加量の比率を設定する印加量設定工程と、該印加量設定工程により設定された電圧印加量の比率に応じた電圧を、前記複数のＺアクチュエータにそれぞれ同時に印加する電圧印加工程とを備えていることを特徴とするものである。
【００３５】
この発明に係る表面情報計測装置及び表面情報計測方法においては、印加手段により、３つのＺアクチュエータにそれぞれ電圧を印加すると、Ｚ方向に伸縮して試料が載置された載置台をＺ方向に移動させる。
ここで、まず、印加量設定工程により、複数のＺアクチュエータの伸縮量がそれぞれ同一となるように、各Ｚアクチュエータに印加する電圧印加量の比率を決定する。
そして、電圧印加工程において、制御手段が設定された電圧印加量の比率に応じた電圧を各Ｚアクチュエータにそれぞれ同時に印加させるように印加手段を制御することで、即ち、各Ｚアクチュエータの圧電感度に応じた電圧を印加させることで各ＺアクチュエータのＺ方向に向かう伸縮量を同一にすることができる。これにより、複数のＺアクチュエータ全体の直進性が向上し、Ｚ方向に真直ぐ伸縮させることができる。
【００３６】
その結果、複数のＺアクチュエータに支持された載置台及び試料をＺ方向に向けて真直ぐに移動させてプローブに接近離間させることができ、探針を試料表面に近接又は接触させて試料表面の形状情報や物理情報の計測を行える。特に、複数のＺアクチュエータ全体の直進性が向上して、ＸＹ方向へのクロストークを極力なくすことができるので、ＸＹクロストークに起因したノイズの発生を低減させることができ、試料の各種情報を高精度に計測することができる。
【００３７】
また、本発明の表面情報計測装置は、上記本発明のいずれかに記載の表面情報計測装置において、前記プローブと前記試料とを、前記試料表面に平行な方向に向けて相対的に移動させる移動手段を備えていることを特徴とするものである。
【００３８】
また、本発明の表面情報計測方法は、上記本発明のいずれかに記載の表面情報計測方法において、前記プローブと前記試料とを、試料表面に平行な方向に向けて相対的に移動させる走査工程を備えていることを特徴とするものである。
【００３９】
この発明に係る表面情報計測装置及び表面情報計測方法においては、移動手段によりプローブと試料とを、試料表面に平行な方向に向けて相対的に移動させて、試料表面を走査する走査工程を有しているので、ある所定の領域における物理情報の変化分布等を計測でき、より多角的な試料の計測を行える。
【発明の効果】
【００４０】
本発明に係る表面情報計測装置及び表面情報計測方法によれば、圧電体の同軸度や真円度が精度良く出ていない場合や分極ムラ等の原因により、圧電体の圧電感度が場所によって異なっていたとしても、複数の分割電極に接触する圧電体の各接触領域に、それぞれの圧電感度に応じた電圧を印加して、Ｚ方向に向かう伸縮量を同一にできるので、Ｚアクチュエータ全体のＸＹ方向へのクロストークを極力なくし、Ｚアクチュエータの直進性を向上することができる。よって、ＸＹ方向へのクロストークに起因したノイズの発生を低減でき、試料の形状情報や物理情報等を高精度に計測することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
以下、本発明に係る表面情報計測装置及び表面情報計測方法の第１実施形態を、図１から図７を参照して説明する。
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡（表面情報計測装置）１は、図１に示すように、探針２ａを試料表面Ｂに近接又は接触させて、試料表面Ｂの形状情報又は試料Ａの物理情報（例えば、誘電率、磁化状態、透過率、粘弾性や摩擦係数等）を計測するものであって、上記探針２ａを先端に有し、試料Ａの上方に配されたカンチレバー２（プローブ）と、該カンチレバー２を取付部材３を介して先端に固定すると共に、電圧を印加されたときに試料表面Ｂに垂直なＺ方向に伸縮して、カンチレバー２を試料表面Ｂに対して微小な距離で接近離間させるＺ素子（Ｚアクチュエータ）４と、該Ｚ素子４に電圧を印加する印加手段５と、該印加手段５の作動を制御する制御装置（制御手段）６とを備えている。
【００４２】
また、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡１は、上記試料Ａ及びＺ素子４を固定する筐体１０を備えている。この筐体１０は、互いに対向すると共に試料表面Ｂに平行なＸＹ方向に取付面１１ａ、１２ａを有する上部架台１１及び下部架台１２を有している。そして、下部架台１２の取付面１２ａ上には、上記試料ＡをＸＹ方向に向けて粗動移動させるＸＹ移動ステージ１３が固定され、該ＸＹ移動ステージ１３上には、試料ＡをＺ方向に向けて粗動移動させるＺ粗動機構１４が固定されている。また、該Ｚ粗動機構１４の上面に、上記試料Ａが載置固定されている。これらＸＹ移動ステージ１３及びＺ粗動機構１４は、上記制御装置６によって作動が制御されている。
【００４３】
また、上部架台１１の取付面１１ａには、上記印加手段５により電圧を印加されたときに、先端がＸＹ方向に微小移動するＸＹ素子（移動手段）１５が吊り下げられるように固定されている。そして、該ＸＹ素子１５の先端に上記Ｚ素子４が固定されている。つまり、ＸＹ素子１５は、Ｚ素子４を介してカンチレバー２をＸＹ方向に微小移動させることができるようになっている。即ち、このＸＹ素子１５は、カンチレバー２と試料Ａとを、試料表面Ｂに平行なＸＹ方向に向けて相対的に微小移動させる移動手段としての機能を有している。
【００４４】
上記Ｚ素子４は、図２に示すように、断面円筒状でＺ方向に延びて形成されてＺ方向に伸縮自在な圧電体２０と、該圧電体２０の内周面に沿って設けられた接地電極２１と、圧電体２０の外周面に少なくとも周方向に３つ以上に分割された状態でそれぞれ電気的に独立して設けられ、接触する領域の範囲で圧電体２０に電圧を印加してＺ方向に伸縮させる複数の外部電極（分割電極）２２とを備えている。
なお、本実施形態においては、複数の分割電極として、圧電体２０の外周面に設けられた外部電極２０を例にして説明するが、これに限られず、圧電体２０の内周面に設けられた接地電極２１を複数に分割して分割電極としても構わない。    
上記圧電体２０は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電材料からなり、円柱状態から中心を機械加工により刳り貫いて円筒状に形成されている。また、接地電極２１は、圧電体２０の内周面全体に亘って、例えば、メタライズされている。
上記複数の外部電極２２は、本実施形態では４つ形成されており、圧電体２０の周方向に均等配置されて同一長さを有するように、例えば、メタライズされている。
【００４５】
ここで、上記ＸＹ素子１５は、Ｚ素子４と同様に、図示しない圧電体、接地電極及び４つの外部電極を有している。そして、印加手段５によって対向する２つの外部電極に極性の異なる電圧を印加されることで、それぞれの外部電極に接触する圧電体のうち一方がＺ方向に伸びると共に他方がＺ方向に縮む。これにより、全体的に湾曲して先端がＸＹ方向に微小移動するようになっている。
【００４６】
上記印加手段５は、４つの外部電極２２にそれぞれ電気的に接続された個別電圧発生器２５と、これら各個別電圧発生器２５に電気的に接続されたＺ電源２６とを有しており、４つの外部電極２２にそれぞれ異なる量の電圧を同時に印加可能とされている。
また、印加手段５は、Ｚ素子４と同様にＸＹ素子１５の外部電極２２に対しても所定の極性及び電圧値で電圧を印加することができるようになっている。
【００４７】
上記制御装置６は、４つの外部電極２２にそれぞれ接触する圧電体２０の各接触領域の伸縮量がそれぞれ同一となるように、予め決められた電圧印加量の比率で電圧を印加するように印加手段５を制御するようになっている。
つまり、制御装置６は、４つの外部電極２２に同一量の電圧を印加させて、Ｚ素子４の先端近傍がＺ方向に直交する上記ＸＹ方向に変位する変位量及び方向を測定する変位測定部（変位測定手段）６ａを備えており、該変位測定部６ａで測定した測定結果に基づいて上記電圧印加量の比率を設定するようになっている。これについては、後に詳細に説明する。
【００４８】
このように構成された走査型プローブ顕微鏡１により、試料Ａの形状情報や物理情報を計測する表面情報計測方法について以下に説明する。
本実施形態の表面情報計測方法は、４つの外部電極２２に接触する圧電体２０の各接触領域の伸縮量がそれぞれ同一となるように、各外部電極２２に印加する電圧印加量の比率を設定する印加量設定工程と、該印加量設定工程により設定された電圧印加量の比率に応じた電圧を、４つの外部電極２２にそれぞれ同時に印加する電圧印加工程と、カンチレバー２と試料Ａとを試料表面Ｂに平行なＸＹ方向に向けて相対的に移動させる移動工程とを有している。
また、本実施形態では、印加量設定工程が、一旦、４つの外部電極２２に同一量の電圧を印加させて、Ｚ素子４の先端近傍がＸＹ方向に変位する変位量及び方向を測定する変位測定工程と、該変位測定工程後、測定結果に基づいて、電圧印加量の比率を設定する設定工程とを備えている。これら各工程について、図３に示すフローチャートを参照しながら以下に詳細に説明する。
【００４９】
始めに、ＸＹ移動ステージ１３及びＺ粗動機構１４により、探針２ａが試料Ａの測定領域に達するように試料ＡをＸＹＺ方向に粗動移動させた後、印加量設定工程により、４つの外部電極２２に印加する電圧印加量の比率を設定する。即ち、まず変位測定部６ａでＺ素子４の先端部近傍がＸＹ方向に変位する変位量及び方向を測定する変位測定工程を行う。
具体的には、Ｚ素子４の伸び量を変え、それぞれの位置で変位測定部６ａによりデータを２点取得する（Ｓ１）ことで、変位量及び方向の測定を行う。つまり、図４に示すように、４つの外部電極２２に同一量の電圧を印加してＺ素子４を変位させた位置（ポジション１）及び、該ポジション１の際に印加した電圧とは異なる電圧を４つの外部電極２２に同一量で印加してＺ素子４を変位させた位置（ポジション２）の２つの位置において、カンチレバー２を利用して試料Ａの観察画像を取得し、この２つの観察画像を比較することで、ＸＹ方向の変位量及び方向の測定を行う。
【００５０】
まず、図４に示すように、４つの外部電極２２に電圧を印加してＺ素子４が縮んだ状態（ポジション１）で、図５に示すように、試料Ａの観察画像を取得する（Ｓ２）。次いで、個別電圧発生器２５により、４つの外部電極２２にポジション１とは異なる同一量の電圧を印加して、圧電体２０の４つの接触領域をＺ方向に伸ばす。この際、圧電体２０は、同軸度のズレ（偏芯）、真円度のズレや分極ムラ等の原因により、圧電感度が場所によって異なるので、伸び量が異なる。その結果、Ｚ素子４は、全体的にＸＹ方向に変位、即ち、ＸＹ方向へのクロストークが発生する。これにより、Ｚ素子４が伸びた状態（ポジション２）では、図４に示すように、探針２ａ位置を比較すると、ＸＹ方向に距離Ｄだけ変位すると共にＺ方向に距離Ｄｚだけ伸びた状態となる。そして、この状態で、図６に示すように、試料Ａの観察画像を取得する（Ｓ３）。
なお、上述したポジション１及びポジション２は、計測精度を上げるためにＺ素子４の可動範囲の両端近く（即ち、本実施形態のように、縮んでいる状態及び延びている状態の２点）にすることが好ましいが、この位置に限られるものではない。  
【００５１】
そして、変位測定部６ａは、取得した２つの観察画像を比較して、各観察画像に撮像されている被写体の変位具合、即ち、どれ位の変位量でどの方向に移動したかを測定する（Ｓ４）。この被写体の変位具合は、上記探針２ａ位置の変位量Ｄ及び方向に一致するので、２つの観察画像を比較することで、探針２ａのＸＹ方向への変位量（クロストーク量）及び方向を測定することができる（Ｓ５）。
なお、探針２ａは、Ｚ素子４の先端に固定されているので、該探針２ａ位置を測定することで、Ｚ素子４の先端近傍の変位量及び方向を測定することになる。
【００５２】
この変位測定工程後、制御装置６は、変位測定部６ａで測定された測定結果に基づいて、電圧印加量の比率を設定する上記設定工程を行う（Ｓ６）。
つまり、Ｚ素子４がＺ方向に伸びた距離Ｄｚに対するＸＹ方向のクロストーク量Ｄ及び方向により、ＸＹ方向へのクロストークの傾向や特性が把握でき、圧電体２０の圧電分布を測定することができる。そして、制御部は、圧電分布に基づいて、４つの外部電極２２にそれぞれ印加する電圧印加量の比率を設定する。
【００５３】
上述した電圧印加量設定工程が終了した後、制御装置６は、設定した電圧印加量の比率に応じた電圧を４つの外部電極２２にそれぞれ同時に印加させるように印加手段５を制御する電圧印加工程を行う（Ｓ７）。
本実施形態では、外部電極２２の数に応じて圧電体２０を４つの領域に分けると共に、各領域がＺ方向に伸縮する伸縮量をそれぞれ制御できる。よって、電圧印加工程により、各接触領域の圧電感度に応じた電圧を印加することで、各接触領域のＺ方向に向かう伸縮量を同一にできる。これにより、Ｚ素子４全体の直進性が向上し、Ｚ方向に真直ぐ伸縮させることができる。
【００５４】
その結果、Ｚ素子４の先端に固定されたカンチレバー２を試料表面Ｂに真直ぐに接近離間させることができ、探針２ａを試料表面Ｂに近接又は接触させて試料表面Ｂの形状情報や物理情報の計測を行える。特に、Ｚ素子４自体の直進性が向上して、ＸＹ方向へのクロストークを極力なくすことができるので、ＸＹクロストークに起因したノイズの発生を低減でき、試料Ａの各種情報を高精度に計測することができる。
また、試料Ａの計測を行う際に、ＸＹ素子１５により走査工程を行えるので、試料表面ＢをＸＹ方向に走査して、ある所定の領域（範囲）における物理情報の変化分布等を計測でき、より多角的な試料Ａの計測を行える。
【００５５】
上述したように、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡１及び表面情報計測方法によれば、圧電体２０の同軸度や真円度が精度良く出ていない場合や分極ムラ等の原因により、圧電体２０の圧電感度が場所によって異なっていたとしても、圧電体２０の各接触領域の圧電感度に応じた電圧を印加して、各接触領域のＺ方向に向かう伸縮量を同一にできるので、Ｚ素子４のＸＹ方向へのクロストークを極力なくし、Ｚ素子４の直進性を向上することができる。よって、ＸＹ方向へのクロストークに起因したノイズの発生を低減でき、試料Ａを高精度に計測することができる。
【００５６】
図７を参照して、より具体的に説明すると、図７（ａ）に示すように、圧電体２０に偏芯（内径の中心位置と外径の中心位置とのズレ）が生じている場合や、図７（ｂ）に示すように、圧電体２０に真円ズレが生じている場合や、図７（ｃ）に示すように、圧電体２０に分極ムラが生じている場合であっても、本実施形態では、図７（ｄ）から（ｆ）に示すように、４つの外部電極２２に接する圧電体２０の各接触領域の圧電感度に応じて、外部電極２２に印加する電圧印加量の比率を設定するので、Ｚ素子４のＸＹ方向へのクロストークを極力なくすことができる。
【００５７】
また、４つの外部電極２２は、圧電体２０の周方向に均等配置されることで、圧電体２０の接触領域も周方向に同一長さで均等配置されているので、各接触領域の伸縮量を調整し易い。
【００５８】
次に、本発明に係る表面情報計測装置及び表面情報計測方法の第２実施形態を、図８及び図９を参照して説明する。なお、第２実施形態において、第１実施形態と同一の構成については同一の符号を付しその説明を省略する。
第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、４つの外部電極２２に同一量の電圧を同時に印加させて、Ｚ素子４全体のＸＹ方向へのクロストーク量及び方向を測定することで、Ｚ素子４の圧電感度を求め、その結果から電圧印加量の比率を設定したが、第２実施形態では、４つの外部電極２２に接触する圧電体２０の各接触領域の圧電感度をそれぞれ測定して、その結果から電圧印加量の比率を設定する点である。
【００５９】
即ち、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡３０は、４つの外部電極２２のそれぞれに同一量の電圧を印加させて、４つの外部電極２２に接触する圧電体２０の圧電感度をそれぞれ測定する感度測定手段３１から測定結果を得て、制御装置６が、この測定結果に基づいて電圧印加量の比率の設定を行う。
この感度測定手段３１は、図８に示すように、一面３２ａ及び他面３２ｂが直交するように９０度折り曲げられて形成され、各外部電極２２の外周面に一面３２ａが取り付け可能なＬアングル状の取付金具３２と、該取付金具３２の他面３２ｂに貼り付けられたミラー３３と、該ミラー３３の表面に光Ｌを照射すると共に反射した光Ｌを受光してミラー３３の変位を測定する光学式測長器３４とを備えている。
【００６０】
このように構成された走査型プローブ顕微鏡３０により、印加量設定工程を行う場合について説明する。
本実施形態の印加量設定工程は、一旦、複数の外部電極２２のそれぞれに同一量の電圧を印加させて、４つの外部電極２２に接触する圧電体２０の圧電感度をそれぞれ測定する感度測定工程と、該感度測定工程後、測定結果に基づいて電圧印加量の比率を設定する設定工程とを有している。
なお、本実施形態では、印加量設定工程を行う際に、図８に示すように、Ｚ素子４のみをＺ素子取付金具３５に取り付けた状態で行うものとする。但し、ＸＹ素子１５に取付られている状態で行っても構わない。
【００６１】
まず、４つの外部電極２２のいずれかの外部電極２２の外周面に、他面３２ｂにミラー３３が貼り付けられた取付金具３２の一面３２ａを取り付ける（Ｓ１０）。そして、光学式測長器３４によりミラー３３の表面に光Ｌを照射させる。
この状態において、取付金具３２を取り付けた外部電極２２のみに電圧を印加させ、該外部電極２２に接触する圧電体２０の接触領域をＺ方向に伸縮させる。これにより、ミラー３３と光学式測長器３４とのＺ方向の距離が変位する。そして、この変位を光学式測長器３４により測定する（Ｓ１１）。なお、光学式測長器３４には、例えば、３角測量方式や干渉方式等がある。
そして、上述した測定を圧電体２０の全ての接触領域で行う（Ｓ１２）。終了後、各接触領域の変位を比較することで、圧電体２０全体の圧電感度分布を測定することができる（Ｓ１３）。その後、制御装置６が、測定された各圧電感度に応じて、電圧印加量の比率の設定を行う。
特に、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡３０によれば、圧電体２０の各接触領域の圧電感度をそれぞれ別個に測定するので、それぞれの伸縮量が同一となるように電圧印加量の比率を設定しやすい。
【００６２】
なお、圧電体２０の内周面に設けられた接地電極２１を複数の分割電極として採用した場合には、この接地電極２１に上記ミラー３３を取り付けて、各圧電感度を測定すれば良い。    
【００６３】
次に、本発明に係る表面情報計測装置及び表面情報計測方法の第３実施形態を、図１０を参照して説明する。なお、第３実施形態において、第１実施形態と同一の構成については同一の符号を付しその説明を省略する。
第３実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、円筒形の圧電体２０を有したＺ素子４により、カンチレバー２をＺ方向に微小移動させたが、第３実施形態では、シート状の圧電体４１を有した積層型Ｚアクチュエータ４０によりカンチレバー２をＺ方向に微小移動させる点である。
【００６４】
上記積層型Ｚアクチュエータ４０は、図１０に示すように、試料表面Ｂに平行な面に沿って（ＸＹ方向に沿って）配されると共にＺ方向に伸縮自在なシート状の圧電体４１と、該圧電体４１の両面を少なくとも３つ以上の区域にそれぞれ電気的に独立して分割配置された４つの（複数の）一対電極４２とを有する圧電素子４３を、各一対電極４２が重なり合った状態でＺ方向に複数層備えている。これら複数の圧電素子４３は、各一対電極４２を介して電気的に層間配線されている。
また、本実施形態において、４つの一対電極４２にそれぞれ個別電圧発生器２５が電気的に接続されており、異なる量の電圧を同時に印圧可能とされている。
また、制御装置６は、４つの一対電極４２に接触する圧電体４１の伸縮量がそれぞれ同一となるように、予め決められた電圧印加量の比率で電圧を印加するよう印加手段５を制御するようになっている。
【００６５】
また、本実施形態の印加量設定工程は、４つの一対電極４２に接触する圧電体４１の伸縮量がそれぞれ同一となるように、各一対電極４２に印加する電圧印加量の比率を設定する工程であり、電圧印加量工程は、印加量設定工程により設定された電圧印加量の比率に応じた電圧を、４つの一対電極４２にそれぞれ同時に印加する工程である。
【００６６】
本実施形態の場合も第１実施形態と同様に、一対電極４２の数に応じて圧電体４１を４つの（複数の）領域に分けると共に各領域がＺ方向に伸縮する伸縮量を制御することができる。従って、圧電体４１の圧電感度が場所によって異なっていたとしても、制御装置６が設定された電圧印加量の比率に応じた電圧を４つの一対電極４２にそれぞれ同時に印加させるように印加手段５を制御することで、即ち、各領域の圧電感度に応じた電圧を印加させることで各領域のＺ方向に向かう伸縮量を同一にすることができる。これにより、積層型Ｚアクチュエータ４０全体の直進性が向上し、Ｚ方向に真直ぐに伸縮させることができる。その結果、第１実施形態と同様に、ＸＹ方向へのクロストークを極力なくすことができ、試料Ａの各種情報を高精度に計測することができる。
【００６７】
次に、本発明に係る表面情報計測装置及び表面情報計測方法の第４実施形態を、図１１を参照して説明する。なお、第４実施形態において、第１実施形態と同一の構成については同一の符号を付しその説明を省略する。
第４実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、円筒状の圧電体２０を有したＺ素子４により、カンチレバー２をＺ方向に微小移動させたが、第４実施形態の走査型プローブ顕微鏡５０では、少なくとも３つ以上の複数のＺアクチュエータ５１により試料ＡをＺ方向に微小移動させ、探針２ａに接近離間させる点である。
【００６８】
即ち、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡５０は、図１１に示すように、試料Ａを上面に載置すると共に試料表面Ｂに平行な面に沿って（ＸＹ方向に沿って）配された平板状の上部プレート（載置台）５２と、該上部プレート５２を下面側から支持すると共に電圧を印加されたときに試料表面Ｂに垂直なＺ方向に伸縮して、試料表面Ｂをカンチレバー２に対して接近離間させる３つのＺアクチュエータ５１とを備えている。
また、上記３つのＺアクチュエータ５１は、下部プレート５３上に設けられ、該下部プレート５３と上部プレート５２との間に挟まれるように設けられている。また、上部プレート５２及び下部プレート５３は、中心に円状の開口５２ａ、５３ａが形成され、環状となっている。そして、試料Ａは、上部プレート５２の上面に開口５２ａを覆うように配されている。
なお、３つのアクチュエータは、第１実施形態のように、円筒状の圧電体２０を有するアクチュエータでも構わないし、第３実施形態のようにシート状の圧電体４１を有するアクチュエータでも構わない。
【００６９】
更に、本実施形態において、印加手段５は、３つのＺアクチュエータ５１のそれぞれに異なる量の電圧を印加可能とされており、制御装置６は、３つのＺアクチュエータ５１の伸縮量がそれぞれ同一となるように、予め決められた電圧印加量の比率で電圧を加圧するよう印加手段５の制御を行うようになっている。
また、本実施形態の印加量設定工程は、３つのＺアクチュエータ５１の伸縮量がそれぞれ同一となるように、３つのアクチュエータに印加する電圧印加量の比率を設定する工程であり、電圧印加工程は、印加量設定工程により設定された電圧印加量の比率に応じた電圧を３つのＺアクチュエータ５１にそれぞれ同時に印加する工程である。
【００７０】
本実施形態の場合も第１実施形態と同様に、各Ｚアクチュエータ５１がＺ方向に伸縮する伸縮量を制御することができる。従って、３つのＺアクチュエータ５１全体の直進性が向上し、Ｚ方向に真直ぐ伸縮させることができる。その結果、３つのアクチュエータに支持された上部プレート５２及び試料ＡをＺ方向に向けて真直ぐに移動させてカンチレバー２に接近離間させることができる。その結果、第１実施形態と同様に、ＸＹ方向へのクロストークを極力なくすことができ、試料Ａの各種情報を高精度に計測することができる。
また、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡５０に、例えば、倒立型顕微鏡を組み合わせても構わない。例えば、上部プレート５２及び下部プレート５３の開口５２ａ、５３ａに対物レンズ等を配置して組み合わせても構わない。このように、他の機能と複合化しても良い。
【００７１】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【００７２】
例えば、上記各実施形態において、表面情報計測装置の一例として、走査型プローブ顕微鏡を採用したが、これに限られず、試料表面の形状情報や、様々な物理情報（例えば、誘電率、磁化状態、透過率、粘弾性、摩擦係数等）を計測する装置であれば構わない。例えば、表面粗さ計、硬度計、電気化学顕微鏡等でも良い。
【００７３】
また、上記第１実施形態から第３実施形態において、圧電体を外部電極に数に応じた４つの領域に分けだが、４つに限られず、少なくとも３つ以上であれば構わない。少なくとも３つであれば、２本のベクトルを確保して、Ｚ素子又は積層型ＺアクチュエータをＸＹ方向の２方向に向けて、ＸＹクロストークを相殺するように変位させることができ、Ｚ方向に向けて確実に真直ぐに伸縮させることができる。
特に、電極を３つ以上設けることで、圧電体をより多くの接触領域に分けることができ、Ｚ方向の伸縮量を制御できる数を増やすことができる。従って、よりＺ方向への直進性を高めることができるので、より好ましい。
また、第１実施形態及び第２実施形態において、外部電極は、周方向に均等配置された状態としたが、均等配置に限られるものではない。  
【００７４】
また、上記各実施形態において、各電極のそれぞれに電源を電気的に接続しても構わない。但し、本実施形態のように、１つのＺ電源から電力を分配し、個々の電極に電圧を印加できる構成とすることで、低コスト化を測ることができるのでより好ましい。
【００７５】
また、圧電体の圧電感度分布を測定する方法としては、第１実施形態及び第２実施形態
に限られるものではなく、他の方法により圧電感度分布を測定しても構わない。例えば、第２実施形態において、ミラーに光を照射することで、圧電体の各接触領域の圧電感度をそれぞれ測定したが、ミラーを利用した光学式ではなく、各接触領域に歪ゲージを貼り付け、歪ゲージ出力を計測することで、圧電感度を求めても構わない。
【００７６】
また、上記第１実施形態において、圧電体を断面円状としたが、断面が円以外の形状でも良く、断面筒状であれば構わない。また、形状の一部に切り欠き、穴等の異形部を有していても構わない。
また、上記第１実施形態及び第２実施形態において、ＸＹ素子を移動手段としたが、これに限られず、試料側をＸＹ方向に移動自在に構成しても構わない。
【００７７】
更に、上記第１実施形態及び第２実施形態において、Ｚ素子とＸＹ素子とが、分離された構成としたが、Ｚ素子とＸＹ素子とが一体的に構成されていても構わない。例えば、制御装置が、対向する外部電極に逆極性の電圧を印加するように印加手段を制御することで、圧電体の一方は伸び、他方は縮む。これにより、ＸＹ方向に走査するＸＹ素子として動作する。また、全ての外部電極に同極性の電圧を印加させることで、すべてがＺ方向に伸縮し、Ｚ素子として動作する。このように、ＸＹ指令とＺ指令とを重畳して入力することで、ＸＹＺ３軸のスキャナとして機能する。このように構成されたスキャナに対しても、本発明は適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡（表面情報計測装置）の第１実施形態を示す、全体構成図である。
【図２】図１に示す走査型プローブ顕微鏡のＺ素子及び印加手段を示す構成図である。
【図３】図１に示す走査型プローブ顕微鏡により、試料表面の形状情報や試料の物理情報を計測する本発明に係る表面情報計測方法の一工程を示すフローチャートである。
【図４】印加量設定工程の際、Ｚ素子を伸縮させ２点（ポジション１及びポジション２）で観察画像を取得する状態を示す図である。
【図５】図４におけるポジション１にて取得した観察画像の一例を示した図である。
【図６】図４におけるポジション２にて取得した観察画像の一例を示した図である。
【図７】圧電体が偏芯、真円ズレ又は分極ムラになっている場合に、図１に示す走査型プローブ顕微鏡により、各外部電極に印加する電圧印加量の比率を示した図である。
【図８】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡（表面情報計測装置）の第２実施形態を示す図であって、圧電体の各接触領域の圧電感度をそれぞれ測定するために、Ｚ素子にミラーを取り付けた状態を示す図である。
【図９】図８に示す走査型プローブ顕微鏡により、Ｚ素子全体の圧電感度分布を測定する際の一工程を示すフローチャートである。
【図１０】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡（表面情報計測装置）の第３実施形態を示す図であって、積層型Ｚアクチュエータの一例を示す斜視図である。
【図１１】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡（表面情報計測装置）の第４実施形態を示す全体構成図である。
【図１２】従来の走査型プローブ顕微鏡のチューブ型圧電スキャナの一例を示す図である。
【図１３】従来のＺ駆動用チューブアクチュエータであって、Ｚ方向に作動させた際に、偏芯したチューブ型圧電体によりＸＹ方向にクロストークが発生した状態を示す図である。
【図１４】従来の平行バネ式スキャナの一例を示す図である。
【符号の説明】
【００７９】
Ａ    試料
Ｂ    試料表面
１、３０、５０    走査型プローブ顕微鏡（表面情報計測装置）
２    カンチレバー（プローブ）
２ａ    探針
４    Ｚ素子（Ｚアクチュエータ）
５    印加手段
６    制御装置（制御手段）
６ａ    変位測定部（変位測定手段）
１５    ＸＹ素子（移動手段）
２０    断面円筒状の圧電体
２１    接地電極  
２２    外部電極（分割電極）
４０    積層型Ｚアクチュエータ
４１    シート状の圧電体
４２    一対電極
５１    Ｚアクチュエータ
５２    上部架台（載置台）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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