(57)【要約】【課題】走査範囲を大きくでき、しかも高精度に試料の観察を行うことができる走査型プロ−ブ顕微鏡を提供する。【解決手段】探針１と、探針１の位置を検出する位置検出器２と、探針１を試料Ｓに対して直交する方向に変位させる変位機構３と、変位機構３をＺ軸に対して直交するＸ軸方向に移動させる走査機構４と、変位機構３をＺ軸及びＸ軸に対して相互に直交するＹ軸方向に移動させる走査機構５とを備えた走査型プローブ顕微鏡である。変位機構３をＺ軸方向に伸縮する圧電素子１０にて構成する。走査機構４を、Ｙ軸方向に伸縮する圧電素子１１と、圧電素子１１の伸縮をＸ軸方向の伸縮に拡大変換するリンク機構１２にて構成する。走査機構５を、Ｘ軸方向に伸縮する圧電素子１３と、圧電素子１３の伸縮をＹ軸方向の伸縮に拡大変換するリンク機構１４にて構成する。【選択図】図１
2006329704.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
探針（１）と、この探針（１）の位置を検出する位置検出器（２）と、上記探針（１）を試料（Ｓ）に対して直交する方向のＺ軸方向に変位させるＺ軸方向変位機構（３）と、Ｚ軸方向変位機構（３）を上記Ｚ軸に対して直交する方向のＸ軸方向に移動させるＸ軸方向走査機構（４）と、Ｚ軸方向変位機構（３）を上記Ｚ軸及びＸ軸に対して相互に直交する方向のＹ軸方向に移動させるＹ軸方向走査機構（５）とを備えた走査型プローブ顕微鏡であって、上記Ｚ軸方向変位機構（３）を上記Ｚ軸方向に伸縮するＺ方向圧電素子（１０）にて構成し、上記Ｘ軸方向走査機構（４）を、上記Ｙ軸方向に伸縮するＹ方向圧電素子（１１）と、このＹ方向圧電素子（１１）のＹ軸方向の伸縮を上記Ｘ軸方向の伸縮に拡大変換するＸ方向変換用リンク機構（１２）にて構成し、上記Ｙ軸方向走査機構（５）を、上記Ｘ軸方向に伸縮するＸ方向圧電素子（１３）と、このＸ方向圧電素子（１３）のＸ軸方向の伸縮を上記Ｙ軸方向の伸縮に拡大変換するＹ方向変換用リンク機構（１４）にて構成したことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
上記各変換用リンク機構（１２）（１４）は、圧電素子（１１）（１３）の両端部側に配置されてこの圧電素子（１１）（１３）の変位に伴って圧電素子長手方向に変位する端部部材（１５）（１６）（３１）（３２）と、両端部側の端部部材（１５）（１６）（３１）（３２）を端部ヒンジ部（２１）（２２）（２３）（２４）（３７）（３８）（３９）（４０）を介して連結してその中間ヒンジ部（２５）（２６）（４１）（４２）が電圧印加前において端部部材（１５）（１６）（３１）（３２）を結ぶ直線（Ａ）（Ｂ）よりも内側又は外側に配置される連結部材（１９）（２０）（３５）（３６）とを備え、電圧印加によって、圧電素子（１１）（１３）の変位を圧電素子長手方向と直交する方向の上記連結部材（１９）（２０）（３５）（３６）の中間部（１７）（１８）（３３）（３４）の変位に変換することを特徴とする請求項１の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
上記Ｘ軸方向走査機構（４）及びＹ軸方向走査機構（５）によるＺ方向圧電素子（１０）の移動と共に上記位置検出器（２）が一体に移動するように、位置検出器（２）を上記Ｚ方向圧電素子（１０）側に配置したことを特徴とする請求項１又は請求項２の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
上記Ｚ方向圧電素子（１０）の下端に、先端に探針（１）が付設されたカンチレバー（６）の基端を連結し、レーザ光をＺ方向圧電素子（１０）の中心線（Ｏ）に沿って照射するレーザ出力部（７）を、Ｚ方向圧電素子（１０）の上方に設け、カンチレバー（６）の背面で反射されたレーザ反射光を上記位置検出器（２）に入光させることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかの走査型プローブ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、走査型プローブ顕微鏡に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ナノテクノロジーの急速な進歩に伴う微細化の波が、あらゆる分野、業界に及んでおり、微細計測ツールを使用する必然性が高まっている。こうした状況の中、原子配列構造などの解析に使用されていていた走査型プローブ顕微鏡である原子間力顕微鏡（例えば、特許文献１参照）が注目されている。走査型プローブ顕微鏡は、原子オーダ（ナノメータ以下）の測定分解能を有するものであり、表面の形状計測を初め、各種分野に適用されつつある。検出に利用する物理量に依存して、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）等がある。
【０００３】
原子間力顕微鏡は、図５に示すように、試料ステージ７０を有するフレーム７１と、このフレーム７１に設けられる探針接近用機構７２と、この探針接近用機構７２に付設されるＸＹＺ微動機構７３とを備え、このＸＹＺ微動機構７３に、先端に探針７４を有するカンチレバー７５が付設されている。また、カンチレバー７５の近傍には、カンチレバー７５の変位量を検出する変位検出器７６が配置されている。この場合、探針接近用機構７２は、測定を行う前に探針７４を、試料ステージ７０上の試料７７に接近させるためのものであり、ＸＹＺ微動機構７３は、試料７７に対して直交する方向であるＺ軸方向と、このＺ軸方向に対して相互に直交する方向のＸ軸方向及びＹ軸方向とにそれぞれ伸縮するピエゾ圧電素子を使用した円筒型のアクチュエータによって構成されている。すなわち、Ｚ方向圧電素子の電圧を印加することによって、このアクチュエータをＺ軸方向に伸縮させることができ、Ｘ方向圧電素子に電圧を印加することによって、このアクチュエータをＸ軸方向に伸縮させることができ、Ｙ方向圧電素子に電圧を印加することによって、このアクチュエータをＹ軸方向に伸縮させることができる。
【０００４】
また、変位検出器７６としては、レーザ光を照射する光源と、レーザ光を受ける光検出器とから構成される。光源からのレーザ光は、カンチレバー７５の背面の反射面で反射され、光検出器に入射され、これによって、カンチレバー７５のたわみ変化を知ることができる。
【０００５】
すなわち、探針７４を試料７７に近づけていくと、ファンデルワールス力等により最初に引力が働き、探針７４が引きつけられる。さらに近づけていくと探針７４先端の電子雲と試料間で斥力が働き始める。両者の間隔が縮まるに従ってやがて引力と斥力が平行し、さらには斥力が支配的になる。原子間力の検出はカンチレバー７５のたわみによる振れをとられる。カンチレバー７５の先端の背面にレーザ光を当て、反射した光を変位検出器７６に入射させ、これを電気信号としてレーザスポットの受光バランスを検出すると、上下あるいは横方向のカンチレバー７５のたわみ変化を知ることができる。
【０００６】
そして、探針７４が試料７７にコンタクトしている状態でＸ軸方向及びＹ軸方向へ二次的に走査すると、試料７７の形状に沿ってカンチレバー７５がたわもうとする。このたわみの変化をＺ方向圧電素子にフィードバックして、常に一定のたわみ量を保持するように追従させ、Ｚ方向圧電素子の伸縮変化量を制御部（コンピュータ）で取り込んでいく。取り込んだデータは二次的な配列となり、それぞれに伸縮変化量を持っているため、三次元形状として試料７７の表面構造を画像化することが可能となる。すなわち、変位のフィードバック量を画像化することからサンプル形状の高さ情報を長さの単位で取得することができる。
【特許文献１】特開２０００−２６６７７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のように、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の走査にはそれぞれ圧電素子を用いるが、圧電素子の形状等から走査範囲には限界があった。また、限度まで走査範囲を拡大させた場合、精度や剛性に問題が生じる。すなわち、従来の走査型プローブ顕微鏡では、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の走査はそれぞれ１００ミクロン程度が限界であった。しかしながら、近年では、大型の液晶パネル等が出現して１個の画素が大きくなっている。このため、このようなものに対応するために、走査範囲の広いものが求められるようになってきた。
【０００８】
上記のように、ＸＹＺ微動機構７３がピエゾ圧電素子を使用した円筒型のアクチュエータであれば、さらに次のような問題点があった。すなわち、ヒステリシスによる非直線性を補正する必要があり、また、駆動電圧と走査範囲が比例しないと共に走査速度によって走査範囲が変化するため、これらの補正を行う必要がある。さらに、任意の角度に回転して走査したときの画像の歪み、圧電素子のクリープ（履歴）特性による画像の歪みや位置ずれ、ズームスキャン時の位置精度上の問題がある。しかも、上記のような補正のため、ソフトウェアにおける補正計算式が複雑であると共に、改良にも限界があり、出荷・定期校正の手順が難解で処理時間も大となっていた。
【０００９】
この発明は、上記従来の欠点を解決するためになされたものであって、その目的は、走査範囲を大きくでき、しかも高精度に試料の観察を行うことができる走査型プローブ顕微鏡を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そこで請求項１の走査型プローブ顕微鏡は、探針１と、この探針１の位置を検出する位置検出器２と、上記探針１を試料Ｓに対して直交する方向のＺ軸方向に変位させるＺ軸方向変位機構３と、Ｚ軸方向変位機構３を上記Ｚ軸に対して直交する方向のＸ軸方向に移動させるＸ軸方向走査機構４と、Ｚ軸方向変位機構３を上記Ｚ軸及びＸ軸に対して相互に直交する方向のＹ軸方向に移動させるＹ軸方向走査機構５とを備えた走査型プローブ顕微鏡であって、上記Ｚ軸方向変位機構３を上記Ｚ軸方向に伸縮するＺ方向圧電素子１０にて構成し、上記Ｘ軸方向走査機構４を、上記Ｙ軸方向に伸縮するＹ方向圧電素子１１と、このＹ方向圧電素子１１のＹ軸方向の伸縮を上記Ｘ軸方向の伸縮に拡大変換するＸ方向変換用リンク機構１２とで構成し、上記Ｙ軸方向走査機構５を、上記Ｘ軸方向に伸縮するＸ方向圧電素子１３と、このＸ方向圧電素子１３のＸ軸方向の伸縮を上記Ｙ軸方向の伸縮に拡大変換するＹ方向変換用リンク機構１４とで構成したことを特徴としている。
【００１１】
請求項２の走査型プローブ顕微鏡は、上記各変換用リンク機構１２、１４は、圧電素子１１、１３の両端部側に配置されてこの圧電素子１１、１３の変位に伴って圧電素子長手方向に変位する端部部材１５、１６、３１、３２と、両端部側の端部部材１５、１６、３１、３２を端部ヒンジ部２１、２２、２３、２４、３７、３８、３９、４０を介して連結してその中間ピンジ部２５、２６、４１、４２が電圧印加前において端部部材１５、１６、３１、３２を結ぶ直線Ａ、Ｂよりも内側又は外側に配置される連結部材１９、２０、３５、３６とを備え、電圧印加によって、圧電素子１１、１３の変位を圧電素子長手方向と直交する方向の上記連結部材１９、２０、３５、３６の中間部１７、１８、３３、３４の変位に変換することを特徴としている。
【００１２】
請求項３の走査型プローブ顕微鏡は、上記Ｘ軸方向走査機構４及びＹ軸方向走査機構５によるＺ方向圧電素子１０の移動と共に上記位置検出器２が一体に移動するように、位置検出器２を上記Ｚ方向圧電素子１０側に配置したことを特徴としている。
【００１３】
請求項４の走査型プローブ顕微鏡は、上記Ｚ方向圧電素子１０の下端に、先端に探針１が付設されたカンチレバー６の基端を連結し、レーザ光をＺ方向圧電素子１０の中心線Ｏに沿って照射するレーザ出力部７を、Ｚ方向圧電素子１０の上方に設け、カンチレバー６の背面で反射されたレーザ反射光を上記位置検出器２に入光させることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１の走査型プローブ顕微鏡によれば、Ｘ軸方向走査機構を、Ｙ軸方向に伸縮するＹ方向圧電素子と、このＹ方向圧電素子のＹ軸方向の伸縮をＸ軸方向の伸縮に拡大変換するＸ方向変換用リンク機構とで構成したので、Ｘ軸方向の走査範囲を、圧電素子の伸縮のみのものでもって定められる従来のものに比べて大きくとることができる。また、Ｙ軸方向走査機構を、Ｘ軸方向に伸縮するＸ方向圧電素子と、このＸ方向圧電素子のＸ軸方向の伸縮をＹ軸方向の伸縮に拡大変換するＹ方向変換用リンク機構とで構成したので、Ｙ軸方向の走査範囲を、圧電素子の伸縮のみのものでもって定められる従来のものに比べて大きくとることができる。このように、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の走査範囲を大きくとることができ、近年において普及してきた大型液晶パネルの画素サイズに対応できる。しかも、Ｚ軸方向変位機構を上記Ｚ軸方向に伸縮するＺ方向圧電素子にて構成しているので、安定した画像を得ることができる。また、ＸＹ直交度及びＺ方向の湾曲特性等の問題点が無くなり、ソフトウェア上での補正が少なくなって、複雑な補正式を必要とせず、プログラムの簡略化を達成できる。さらに、Ｘ軸方向走査機構とＹ軸方向走査機構とは、それぞれ、圧電素子とリンク機構とで構成することができるので、機構として簡素化を図ることができ、組み付け調整が簡単となって、取り付け精度が向上して、走査中心軸や光軸精度（レーザ出力部からのレーザ光及びカンチレバーからの反射光の光軸の精度）が良くなり、観察精度の向上が達成できる。
【００１５】
請求項２の走査型プローブ顕微鏡によれば、圧電素子の変位を圧電素子長手方向と直交する方向の上記連結部材の中間部の変位に変換するものであるので、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の走査範囲を従来のものに比べて確実に大きくとることができ、しかもリンク機構の構造も簡単であり、全体として大型化せずかつその走査精度もよい。
【００１６】
請求項３の走査型プローブ顕微鏡によれば、Ｘ軸方向走査機構及びＹ軸方向走査機構によるＺ方向圧電素子の移動と共に上記位置検出器が一体に移動するので、安定した観察を行うことができ、観察精度の向上を図ることができる。特に、Ｘ軸方向走査機構をＹ方向圧電素子とＸ方向変換用リンク機構とで構成し、Ｙ軸方向走査機構をＸ方向圧電素子とＹ方向変換用リンク機構とで構成しているので、これら各走査機構は剛性上優れており、Ｚ方向圧電素子と位置検出器との一体移動を安定して行うことができ、高精度の観察を常時安定して行うことがきる。
【００１７】
請求項４の走査型プローブ顕微鏡によれば、レーザ光をＺ方向圧電素子に中心線に沿って照射するレーザ出力部を、Ｚ方向圧電素子の上方に設けたので、レーザ光がＺ方向圧電素子を通過することになり、全体のコンパクト化を図ると共に、精度良くカンチレバーの背面で反射されたレーザ反射光を位置検出器に入光させることができ、一層の観察精度向上を達成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
次に、この発明の走査型プローブ顕微鏡の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は走査型プローブ顕微鏡の全体簡略図であり、この走査型プローブ顕微鏡は、探針１と、この探針１の位置を検出する位置検出器２と、上記探針１を試料Ｓに対して直交する方向のＺ軸方向に変位させるＺ軸方向変位機構３と、Ｚ軸方向変位機構３を上記Ｚ軸に対して直交する方向のＸ軸方向に移動させるＸ軸方向走査機構（以下、Ｘ微動ステージと呼ぶ場合がある）４と、Ｚ軸方向変位機構３を上記Ｚ軸及びＸ軸に対して相互に直交する方向のＹ軸方向に移動させるＹ軸方向走査機構（以下、Ｙ微動ステージと呼ぶ場合がある）５とを備える。
【００１９】
Ｚ軸方向変位機構３は、電圧を印加することによって、Ｚ軸方向に伸縮するＺ方向圧電素子１０からなり、この下端にカンチレバー６が付設され、このカンチレバー６の先端に探針１が設けられている。カンチレバー６は、平板状の基板からなり、Ｚ軸に対して所定角度を成すようにその基端側がＺ方向圧電素子１０に取り付けられている。そして、光源（レーザ出力部）７から、カンチレバー６の背面に向けてＺ方向圧電素子１０の中心線Ｏに沿ってレーザ光が照射される。このため、位置検出器２は、カンチレバー６の背面にて反射された反射光が入光するフォトダイオードを備える。このフォトダイオードにおいて電気信号（位置検出信号）に変換され、この位置検出信号が加算器８に入力される。なお、このフォトダイオードは複数、例えば４個に分割されている。
【００２０】
加算器８では、予め設定された目標設定値と、位置検査信号とが比較されて偏差信号が制御部９に出力される。制御部９では、この偏差信号に基づいてＺ方向圧電素子１０に印加する電圧を制御して、探針１と試料Ｓとの間の距離を一定に保持することができる。
【００２１】
図２に示すように、Ｘ微動ステージ４は、上記Ｙ軸方向に伸縮するＹ方向圧電素子１１と、このＹ方向圧電素子１１のＹ軸方向の伸縮を上記Ｘ軸方向の伸縮に拡大変換するＸ方向変換用リンク機構１２とで構成し、また、図３に示すように、Ｙ微動ステージ５を、上記Ｘ軸方向に伸縮するＸ方向圧電素子１３と、このＸ方向圧電素子１３のＸ軸方向の伸縮を上記Ｙ軸方向の伸縮に拡大変換するＹ方向変換用リンク機構１４とで構成している。
【００２２】
Ｘ方向変換用リンク機構１２は、Ｙ方向圧電素子１１の両端部側に配置されてこのＹ方向圧電素子１１の変位に伴って圧電素子長手方向に変位する端部部材１５、１６と、両端部側の端部部材１５、１６を連結してその中間部１７、１８が電圧印加前において端部部材１５、１６を結ぶ直線Ａ、Ａよりも内側に配置される連結部材１９、２０とを備える。連結部材１９、２０は、一方の端部部材１５側の端部ヒンジ部２１、２２と、他方の端部部材１６側の端部ヒンジ部２３、２４と、中間部１７、１８の中間ヒンジ部２５、２６と、各ヒンジ部２１、２２、２３、２４、２５、２６を連結するリンク２７、２８、２９、３０とからなる。すなわち、一方の連結部材１９は２本のリンク２７、２８を有し、他方の連結部材２０は２本のリンク２９、３０を有するものであって、Ｘ方向変換用リンク機構１２のリンクは合計４本である。
【００２３】
Ｙ方向変換用リンク機構１４は、Ｘ方向圧電素子１３の両端部側に配置されてこのＸ方向圧電素子１３の変位に伴って圧電素子長手方向に変位する端部部材３１、３２と、両端部側の端部部材３１、３２を連結してその中間部３３、３４が電圧印加前において端部部材３１、３２を結ぶ直線Ｂ、Ｂよりも内側に配置される連結部材３５、３６とを備える。連結部材３５、３６は、一方の端部部材３１側の端部ヒンジ部３７、３８と、他方の端部部材３２側の端部ヒンジ部３９、４０と、中間部３３、３４の中間ヒンジ部４１、４２と、各ヒンジ部３７、３８、３９、４０、４１、４２を連結するリンク４３、４４、４５、４６とからなる。すなわち、一方の連結部材３５は２本のリンク４３、４４を有し、他方の連結部材３６は２本のリンク４５、４６を有するものであって、Ｙ方向変換用リンク機構１４のリンクは合計４本である。
【００２４】
このため、Ｘ方向変換用リンク機構１２において、Ｙ方向圧電素子１１に電圧が印加されて、Ｙ方向圧電素子１１がその長手方向（Ｙ軸方向）に伸びれば、その伸びに伴って連結部材１９、２０の中間部１７、１８がＹ方向圧電素子１１に対して離れる方向（Ｘ軸方向）に変位する。また、Ｙ方向変換用リンク機構１４において、Ｘ方向圧電素子１３に電圧が印加されて、Ｘ方向圧電素子１３がその長手方向（Ｘ軸方向）に伸びれば、その伸びに伴って連結部材３５、３６の中間部３３、３４がＸ方向圧電素子１３に対して離れる方向（Ｙ軸方向）に変位する。
【００２５】
Ｘ微動ステージ４において、図４に示すように、リンク２７、２８の長さをＬとし、直線Ａとリンク２７（２８）の成す角度をθとしたときに、Ｙ方向圧電素子１１がａだけ伸びて、直線Ａとリンク２７の成す角度がθ１となれば、次の数１のように、ａを求めることができ、また、中間部１７の圧電素子長手方向と直交する方向の変位量をｂとすれば、次の数２のようにｂを求めることができる。
【００２６】
【数１】
2006329704.tif 000003
【００２７】
【数２】
2006329704.tif 000004
【００２８】
この際、Ｙ方向圧電素子１１が同一量だけ伸びた場合には、電圧を印加する前のリンク２７、２８の成す角度αが小さい程リンク２７、２８が大きく揺動して、中間部１７の圧電素子長手方向と直交する方向の変位量ｂを大きくとることができる。また、他方のリンク２９、３０側においても、同様にその中間部１８が圧電素子長手方向と直交する方向に変位し、その変位量が図４に示したリンク２７、２８側と同一である。このため、Ｙ方向圧電素子１１の長手方向の伸びａに対して圧電素子長手方向と直交する方向の全体としての変位は２ｂとなる。これによって、Ｘ微動ステージ４において、Ｙ方向圧電素子１１のＹ軸方向の伸縮をＸ軸方向の伸縮に拡大変換することができる。そして、この拡大された変位量でもって、Ｚ方向圧電素子１０をＸ軸方向に移動させることができる。
【００２９】
また、Ｙ微動ステージ５においても、Ｘ微動ステージ４と同一構造であるので、Ｘ方向圧電素子１３がその長手方向（Ｘ軸方向）にａだけ伸びた場合に、圧電素子長手方向に直交する方向（Ｙ軸方向）に２ｂだけ変位することになり、Ｘ方向圧電素子１３のＸ軸方向の伸縮をＹ軸方向の伸縮に拡大変換することができる。そして、この拡大された変位量でもって、Ｚ方向圧電素子１０をＹ軸方向に移動させることができる。
【００３０】
ところで、Ｘ微動ステージ４とＹ微動ステージ５とは図示省略の連結機構によって連結され、Ｘ微動ステージ４のＹ方向圧電素子１１に電圧を印加すれば、Ｚ方向圧電素子１０をＸ軸方向に沿って移動させることができ、Ｙ微動ステージ５のＸ方向圧電素子１３に電圧を印加すれば、Ｘ微動ステージ４と共にＺ方向圧電素子１０をＹ軸方向に沿って移動させることができる。
【００３１】
Ｘ微動ステージ４及びＹ微動ステージ５はヘッドフレーム（図示省略）に取り付けられ、このＸ微動ステージ４にレーザ出力部（光源）７を介してＺ方向圧電素子１０及び位置検出器２が付設される。このため、Ｘ微動ステージ４によるＺ方向圧電素子１０のＸ軸方向の移動に伴って一体に位置検出器２がＸ軸方向に移動し、Ｙ微動ステージ５によるＺ方向圧電素子１０のＹ軸方向の移動に伴って一体に位置検出器２がＹ軸方向に移動する。
【００３２】
また、各微動ステージ４、５には圧電素子駆動回路５２が接続され、さらに、圧電素子駆動回路５２には走査信号発生部５３が接続されている。また、この走査信号発生部５３には、制御部９と表示装置５４とに接続される信号処理部５５が接続されている。ここで、走査信号発生部５３は信号処理部５５からの信号にて、圧電素子駆動回路５２に信号を発信して、この圧電素子駆動回路５２からＸ微動ステージ４のＹ方向圧電素子１１及びＹ微動ステージ５のＸ方向圧電素子１３に電圧を印加することになる。ところで、表示装置５４はモニタ画面を有し、このモニタ画面に信号処理部５５から得られたデータをもとに観察した試料Ｓの画像を表示するものである。
【００３３】
次に、上記のように構成された走査型プローブ顕微鏡を使用した試料Ｓの観察方法を説明する。まず、Ｚ軸方向変位機構３を使用して、探針１を試料Ｓの被観察部位に接近させていく。これによって生じる原子間力をカンチレバー６のたわみによる振れとして捕らえることになる。すなわち、カンチレバー６の先端の背面にレーザ光を当て、その反射した光を位置検出器２に入射させる。これを電気信号としてレーザスポットの受光バランスを検出し、上下あるいは横方向のカンチレバー６のたわみ変化を検知する。
【００３４】
そして、探針１が試料Ｓにコンタクトしている状態で、走査信号発生部５３からの信号に基づいて、圧電素子駆動回路５２を介して、Ｘ微動ステージ４及び／又はＹ微動ステージ５を駆動して、Ｚ軸方向変位機構３をＸ軸方向及び／又はＹ軸方向に走査（移動）させる。これによって、試料Ｓの形状に沿ってカンチレバー６がたわもうとする。このたわみの変化をＺ軸方向変位機構３のＺ方向圧電素子１０にフィードバックして、常に一定のたわみ量を保持するように追従させる。この際、Ｚ方向圧電素子１０の伸縮変化量を制御部９で取り込む。この取り込んだデータは二次元的な配列となるが、それぞれに伸縮変化量を持っているため、三次元形状として試料Ｓの表面構造を画像化することが可能となり、制御部９からの信号を信号処理部５５にて処理して、この試料Ｓの表面構造を表示装置５４に表示することができる。このため、変位のフィードバック量を画像化することからサンプル形状の高さ情報を長さの単位で取得することができる。
【００３５】
上記走査型プローブ顕微鏡では、Ｘ軸方向走査機構４を、Ｙ軸方向に伸縮するＹ方向圧電素子１１と、このＹ方向圧電素子１１のＹ軸方向の伸縮をＸ軸方向の伸縮に拡大変換するＸ方向変換用リンク機構１２とで構成したので、Ｘ軸方向の走査範囲を、圧電素子の伸縮のみのものでもって定められる従来のものに比べて大きくとることができる。また、Ｙ軸方向走査機構５を、Ｘ軸方向に伸縮するＸ方向圧電素子１３と、このＸ方向圧電素子１３のＸ軸方向の伸縮をＹ軸方向の伸縮に拡大変換するＹ方向変換用リンク機構１４とで構成したので、Ｙ軸方向の走査範囲を、圧電素子の伸縮のみのものでもって定められる従来のものに比べて大きくとることができる。例えば、５００μｍ〜７００μｍ程度までの走査範囲をとることができる。このように、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の走査範囲を大きくとることができ、近年において普及してきた大型液晶パネルの画素サイズに対応できる。しかも、Ｚ軸方向変位機構３を上記Ｚ軸方向に伸縮するＺ方向圧電素子１０にて構成しているので、安定した画像を得ることができる。また、ＸＹ直交度及びＺ方向の湾曲特性等の問題点が無くなり、ソフトウェア上での補正が少なくなって、複雑な補正式を必要とせず、プログラムの簡略化を達成できる。さらに、Ｘ軸方向走査機構４とＹ軸方向走査機構５とは、それぞれ、圧電素子１１、１３とリンク機構１２、１４とで構成することができるので、機構として簡素化を図ることができ、組み付け調整が簡単となって、取り付け精度が向上して、走査中心軸や光軸精度（レーザ出力部７からのレーザ光及びカンチレバー６からの反射光の光軸の精度）が良くなり、観察精度の向上が達成できる。
【００３６】
圧電素子１１、１３の変位を圧電素子長手方向と直交する方向の上記連結部材１９、２０、３５、３６の中間部１７、１８、３３、３４の変位に変換するものであるので、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の走査範囲を従来のものに比べて確実に大きくとることができ、しかもリンク機構１２、１４の構造も簡単であり、全体として大型化せずかつその走査精度もよい。さらに、Ｘ軸方向走査機構４及びＹ軸方向走査機構５によるＺ方向圧電素子１０の移動と共に位置検出器２が一体に移動するので、安定した観察を行うことができ、観察精度の向上を図ることができる。特に、Ｘ軸方向走査機構４をＹ方向圧電素子１１とＸ方向変換用リンク機構１２とで構成し、Ｙ軸方向走査機構５をＸ方向圧電素子１３とＹ方向変換用リンク機構１４とで構成しているので、これら各走査機構４、５は剛性上優れており、Ｚ方向圧電素子１０と位置検出器２との一体移動を安定して行うことができ、高精度の観察を常時安定して行うことがきる。
【００３７】
さらに、レーザ光をＺ方向圧電素子１０に中心線Ｏに沿って照射するレーザ出力部７を、Ｚ方向圧電素子１０の上方に設けたので、レーザ光がＺ方向圧電素子１０を通過することになり、全体のコンパクト化を図ると共に、精度良くカンチレバー６の背面で反射されたレーザ反射光を位置検出２に入光させることができ、一層の観察精度向上を達成できる。
【００３８】
また、試料Ｓ表面から探針１に働く力は横方向にも作用する。従ってカンチレバー６の横方向のねじれを検出すると、走査にともなって摩擦力が及ぼす画像を捕らえることができる。これはＬＦＭ（摩擦力あるいは水平方向顕微鏡）と呼ばれ、凹凸情報では得ることができない表面構造を検出でき、材料組成の違いなどを検出することができる。そこで、ＡＦＭ（原子間力顕微鏡）測定と同時に（実際にはＡＦＭ測定直後に続けて）ＬＦＭ画像を測定するようにするのが好ましい。これによって両者の画像の比較を行うことができ、より高精度の観察が可能となる。
【００３９】
以上にこの発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。例えば、上記実施の形態では、Ｚ軸方向の変位をフィードバックしていたが、フィードバックをかけずに検出信号、すなわちカンチレバー６の振れ信号をそのままの画像化するようにしてもよい。また、各走査機構４、５のリンク機構１２、１４として、各中間部１７、１８、３３、３４が直線Ａ、Ｂよりも内側に配置されているものを使用したが、直線Ａ、Ｂよりも外側に配置されているものであってもよい。この場合、Ｘ微動ステージ４を直線Ａよりも外側に配置されたものとすると共に、Ｙ微動ステージ５を直線Ｂよりも内側に配置されたものとしたり、逆に、Ｘ微動ステージ４を直線Ａよりも内側に配置されたものとすると共に、Ｙ微動ステージ５を直線Ｂよりも外側に配置されたものとしたりすることができる。すなわち、圧電素子１１、１３の長手方向の伸縮が、長手方向に対して直交する方向に拡大変換されて、その拡大された変位量でもって、Ｚ方向圧電素子１０をＸ軸方向（Ｙ軸方向）に移動させることができればよい。また、上記実施形態では、Ｘ微動ステージ４の上にＹ微動ステージ５を配置しているが、Ｙ微動ステージ５の上にＸ微動ステージ４を配置するようにしてもよい。ところで、観察する試料Ｓとしては、液晶パネルに限るものではなく、種々の製品が可能であって、数μｍの超微小視野での膜面計測や、０．１ｍｍから０．５ｍｍ程度までの形状計測等がこの走査型プローブ顕微鏡では正確に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】この発明の走査型プローブ顕微鏡の実施形態を示す簡略ブロック図である。
【図２】上記走査型プローブ顕微鏡のＸ軸方向走査機構の簡略図である。
【図３】上記走査型プローブ顕微鏡のＹ軸方向走査機構の簡略図である。
【図４】上記走査型プローブ顕微鏡の走査機構の変位を説明する簡略図である。
【図５】従来の走査型プローブ顕微鏡の簡略図である。
【符号の説明】
【００４１】
１・・探針、２・・位置検出器、３・・Ｚ軸方向変位機構、４・・Ｘ軸方向走査機構（Ｘ微動ステージ）、５・・Ｙ軸方向走査機構（Ｙ微動ステージ）、１０・・Ｚ方向圧電素子、１１・・Ｙ方向圧電素子、１２・・Ｘ方向変換用リンク機構、１３・・Ｘ方向圧電素子、１４・・Ｙ方向変換用リンク機構、１５、１６・・端部部材、１７、１８・・中間部、１９、２０・・連結部材、３１、３２・・端部部材、３３、３４・・中間部、３５、３６・・連結部材、Ｏ・・中心線、Ｓ・・試料
【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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