(57)【要約】      （修正有）【課題】形状の制約なしに３次元の立体形状を測定することが可能な走査型プローブ顕微鏡を提供する。【解決手段】カンチレバー１１と、カンチレバーホルダ１４と、サンプルホルダ８と、サンプル９表面の任意の２次元面内で探針１０を相対的に移動させる水平方向微動機構４と、２次元面に垂直な方向に探針１０とサンプル９を相対的に移動させる垂直方向微動機構１５と、カンチレバー１１の撓み量を検出するための変位検出機構２２を有する走査型プローブ顕微鏡において、変位検出機構をカンチレバー１１に組み込み、カンチレバー１１の長軸に直交し探針１０先端を通る軸が、２次元平面に直交する任意の平面内となるように前記カンチレバー１１を配置し、サンプル９表面の被測定面が、水平方向微動機構４の移動面と略平行になるようにサンプル９とカンチレバー１１の相対位置を規定する角度調整機構を含む位置決め機構（３、５，６，７，１７）を設けた。【選択図】図１
2011209076.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端に探針を有するカンチレバーと、
前記カンチレバーを固定するためのカンチレバーホルダと、
サンプルを固定するためのサンプルホルダと、
前記サンプル表面の任意の２次元面内で前記探針を相対的に移動させる水平方向微動機構と、
前記２次元面に垂直な方向に前記探針と前記サンプルを相対的に移動させる垂直方向微動機構と、
前記カンチレバーの撓み量を検出するための変位検出機構を有する走査型プローブ顕微鏡において、
前記変位検出機構を前記カンチレバーに組み込み、前記カンチレバーの長軸に直交し探針先端を通る軸が、前記２次元平面に直交する任意の平面内となるように前記カンチレバーを配置し、
前記サンプルホルダ上に載置される任意形状のサンプル表面の被測定面が、前記水平方向微動機構の移動面と略平行になるように前記サンプルと前記カンチレバーの相対位置を規定する任意の軸まわりの角度調整機構を含む位置決め機構を設けたことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記角度調整機構のうちの少なくとも１つが、前記カンチレバーの長軸に直交し前記水平方向微動機構の移動面に平行な軸まわりに前記カンチレバーの取り付け角度を調整可能にしたカンチレバー取付角度調整機構であることを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
前記角度調整機構が、前記水平方向微動機構の移動面上に前記サンプルの任意の方向の回転または傾斜を調整可能なサンプル角度調整機構を設け、該サンプル角度調整機構上に前記サンプルホルダを設けた請求項１又は２に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
前記角度調整機構が、前記カンチレバーの任意の方向の回転または傾斜を調整可能なカンチレバー角度調整機構を設け、該カンチレバー角度調整機構に前記水平方向微動機構を取り付け、前記水平方向微動機構に前記カンチレバーホルダを取り付けたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
前記水平方向微動機構の最大移動量よりも大きな移動量を有して任意の２次元平面内で移動する水平方向粗動機構と、
前記垂直方向微動機構の最大移動量よりも大きな移動量を有して水平方向粗動機構の移動面に直交する方向に移動する垂直方向粗動機構と、を備え、前記カンチレバーと前記サンプルを相対的に移動可能にした請求項１乃至４のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
前記角度調整機構または前記水平方向粗動機構または前記垂直方向粗動機構に位置検出機構を設け、前記角度調整機構または前記水平方向粗動機構または前記垂直方向粗動機構のうち１つ以上の機構を移動させて、前記水平方向微動機構と前記垂直方向微動機構を動作させて複数個所の表面形状データまたは表面物性データを取得し、前記位置検出機構の情報から、前記表面形状測定データまたは表面物性データを合成して、前記水平方向微動機構または垂直方向微動機構の移動範囲よりも広範囲の前記サンプルの３次元形状データを取得する請求項１乃至５のいずれかに記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
位置検出機構が備わるカンチレバーの先端に有した探針を、該探針の先端に対向配置したサンプルの任意の２次元面内を水平微動機構により及び該２次元面に直行する面内を垂直微動機構によって前記探針と前記サンプルとを相対的に移動させることで前記試料の表面を前記探針で走査する走査型プローブ顕微鏡の走査方法において、
前記カンチレバーの長軸に直交し前記探針先端を通る軸が、前記２次元平面に直交する任意の平面内となるように前記カンチレバーを配置し、
前記サンプルの任意の形状表面の被測定面が、前記水平方向微動機構の移動面と略平行になるように前記サンプルと前記カンチレバーの相対位置を角度調整することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡の走査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、先端に探針を有するカンチレバーでサンプル表面の形状観察や物性測定を行う走査型プローブ顕微鏡に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の走査型プローブ顕微鏡では、探針を有するカンチレバーを使用して、探針とサンプルを近接させて、半導体レーザとフォトディテクタを使用した光てこなどの方式による変位検出機構によりカンチレバーの撓み量やカンチレバーを振動させたときの振幅量を検出し、撓み量や振幅の減衰量または位相や共振周波数の変化量などにより探針とサンプル表面間の距離を垂直方向微動機構で制御しながら、水平方向微動機構により探針とサンプルを相対的にスキャンすることで、サンプル表面の形状や物性の測定が行われている。探針の形状は三角錐や四角錘、円錐などの錐体が多く、カーボンナノチューブなどを探針先端に設ける場合もある。
【０００３】
このような、従来の走査型プローブ顕微鏡では（１）錐体の探針側面の傾斜角の影響が測定データにアーティファクトとして現れる、（２）サンプルの凹凸が大きい場合や複雑な立体形状の場合にはカンチレバーの根元や先端あるいはカンチレバーホルダの部材などがサンプルに接触する、（３）垂直方向微動機構と水平方向微動機構の移動量が小さく広範囲の測定ができない、などの理由により大きな高低差を持つサンプルや複雑な３次元形状のサンプルの測定は困難であり、測定可能なサンプルは平面状のサンプル表面の微小な凹凸の測定に限られていた。
【０００４】
一方、比較的大きな高低差を持つサンプルの測定は、一部の走査型プローブ顕微鏡でも対応できることが開示されている（特許文献１参照）。
【０００５】
この走査型プローブ顕微鏡では、サンプルに対向する位置に探針を備えたカンチレバーを配置し、このカンチレバーを探針とサンプルの相対的位置を変位させるＸＹＺスキャナに取り付け、カンチレバーの変位を検出する変位検出機構を備え、サンプル表面を走査しながら探針とサンプルの間に作用する原子間力等に基づくカンチレバーの撓み量を変位検出機構で検出し、その撓み量を制御してサンプル表面を測定する。
【０００６】
カンチレバーをＸＹＺスキャナへ取り付ける部分には取り付け角度を任意に設定できる取付角設定部を設け、ＸＹＺスキャナと変位検出機構とカンチレバーはＺ軸まわりに任意の角度で回転する回転ステージに固定されている。またサンプルはＸＹ粗動ステージの載せられており、回転ステージはＺ粗動ステージに取り付けられている。このように構成された走査型プローブ顕微鏡によりカンチレバーの傾斜姿勢と回転動作を調整してハイアスペクトの凹凸を有するレジストパターンなどのサンプル表面の凹凸部の縁部を測定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平８−２２６９２６号公報（図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載の発明の場合、変位検出機構とカンチレバーが別体として配置されている。このため、カンチレバーの取り付け角度を変更した場合には、カンチレバーに対する変位検出機構の位置の再調整が必要となる。特に走査型プローブ顕微鏡で普及している光てこ方式による変位検出機構を使用した場合には、カンチレバーの傾きを検出しているため、カンチレバーの取り付け角度を変更した場合に光軸が大きくずれてしまい変位検出機構からカンチレバーへの入射光の位置や検出器の位置調整が必要となるが、これらの位置を設定できる範囲には限界があるため、カンチレバーの傾斜角を大きく変更することは不可能である。
【０００９】
また、特許文献１記載の発明では、ＸＹＺスキャナと変位検出機構とカンチレバーホルダとカンチレバーなどをすべてＺ軸まわりに任意の角度で回転する回転ステージに搭載する必要があるため、装置が大型化し、取り付け角度や回転角を変更した場合に構成部品がサンプルに接触してしまう場合もある。また、カンチレバーの取り付け角度とＺ軸まわりの回転ステージのみでカンチレバーの姿勢を調整しているが、この２つの角度調整機構のみでは設定できるカンチレバーの取り付け角度や回転角には限界があるため、測定できる立体形状には制約がある。
【００１０】
したがって、本発明の目的は、上記の課題に鑑みて発明されたものであり、カンチレバーの取り付け角度を自由に設定でき、装置も小型化し従来よりも形状の制約なしに３次元の立体形状を高分解能で広範囲に測定することが可能な走査型プローブ顕微鏡及びその走査方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するために、本発明では以下のように走査型プローブ顕微鏡を構成した。
本発明の走査型プローブ顕微鏡では、先端に探針を有するカンチレバーと、前記カンチレバーを固定するためのカンチレバーホルダと、サンプルを固定するためのサンプルホルダと、前記サンプル表面の任意の２次元面内で前記探針を相対的に移動させる水平方向微動機構と、前記２次元面に垂直な方向に前記探針と前記サンプルを相対的に移動させる垂直方向微動機構と、前記カンチレバーの撓み量を検出するための変位検出機構を有する走査型プローブ顕微鏡において、前記変位検出機構を前記カンチレバーに組み込み、前記カンチレバーの長軸に直交し探針先端を通る軸が、前記２次元平面に直交する任意の平面内となるように前記カンチレバーを配置し、前記サンプルホルダ上に載置される任意形状のサンプル表面の被測定面が、前記水平方向微動機構の移動面と略平行になるように前記サンプルと前記カンチレバーの相対位置を規定する任意の軸まわりの角度調整機構を含む位置決め機構を設けた。
【００１２】
また、前記角度調整機構のうちの少なくとも１つが、前記カンチレバーの長軸に直交し前記水平方向微動機構の移動面に平行な軸まわりに前記カンチレバーの取り付け角度を調整可能にしたカンチレバー取付角度調整機構とした。
【００１３】
また、前記角度調整機構がサンプル角度調整機構であり、前記水平方向微動機構の移動面上に前記サンプルの任意の方向の回転または傾斜を調整可能な前記サンプル角度調整機構を設け、該サンプル角度調整機構上に前記サンプルホルダを設けた。
【００１４】
また、前記角度調整機構がカンチレバー角度調整機構であり、前記カンチレバーの任意の方向の回転または傾斜を調整可能な前記カンチレバー角度調整機構を設け、該カンチレバー角度調整機構に前記水平方向微動機構を取り付け、前記水平方向微動機構に前記カンチレバーホルダを取り付けた。
【００１５】
さらに、本発明では、前記水平方向微動機構の最大移動量よりも大きな移動量を有し、任意の２次元平面内で移動する水平方向粗動機構と、前記垂直方向微動機構の最大移動量よりも大きな移動量を有し、水平方向粗動機構の移動面に直交する方向に移動する垂直方向粗動機構を、前記カンチレバーと前記サンプルを相対的に移動させるように設けた。
【００１６】
また、前記角度調整機構または前記水平方向粗動機構または前記垂直方向粗動機構に位置検出機構を設け、前記角度調整機構または前記水平方向粗動機構または前記垂直方向粗動機構のうち１つ以上の機構を移動させて、前記水平方向微動機構と前記垂直方向微動機構を動作させて複数個所の表面形状データまたは表面物性データを取得し、前記位置検出機構の情報から、前記表面形状測定データまたは表面物性データを合成して、前記水平方向微動機構または垂直方向微動機構の移動範囲よりも広範囲の前記サンプルの３次元形状データを取得するようにした。
【発明の効果】
【００１７】
以上のように走査型プローブ顕微鏡を構成することで、カンチレバーに変位検出機構が組み込まれているため、変位検出機構とカンチレバーが分離している場合に比べて、カンチレバーの取り付け角度調整範囲が大きくとれ、装置も小型化するため、従来よりも複雑な３次元形状のサンプルの形状像や物性像が高分解能で測定可能となる。
【００１８】
また、本発明では、任意の軸まわりの傾斜角または回転角を調整可能な角度調整機構または水平方向粗動機構または垂直方向粗動機構のうち１つ以上の機構を移動させて、高分解能測定を行いたいサンプル表面の被測定面を、水平方向微動機構の移動面と概ね平行に配置することで、探針先端以外の箇所がサンプルに衝突したり探針側面の傾斜角の影響が測定データにアーティファクトとして現れることなしに、任意の３次元形状のサンプルの測定が可能となる。また、カンチレバーに変位検出機構が組み込まれているため装置が小型化し取り付け角度調整範囲のほか、粗動機構の移動量や角度調整機構の調整範囲も大きくとれる。
【００１９】
また、角度調整機構または水平方向粗動機構または垂直方向粗動機構に位置検出機構を設け、角度調整機構または水平方向粗動機構または垂直方向粗動機構のうち１つ以上のステージを移動させて、水平方向微動機構と垂直方向微動機構を動作させて複数個の表面形状データまたは物性データを取得し、位置検出機構の情報から、表面形状測定データまたは物性データを合成して、サンプルの３次元形状データを取得するようにしたので、広範囲の３次元形状を高分解能で測定することが可能となる。また、バネ定数の小さいカンチレバーを使用して走査型プローブ顕微鏡による距離制御を行っているため、従来の触針式の３次元測定器を用いる場合よりも測定力を小さくできるためサンプルや探針先端のダメージが少なくなり、表面が軟らかいサンプルなども測定可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の概観図である。
【図２】（ａ）本発明の第１の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡で使用されるカンチレバーの底面図である。（ｂ）図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。（ｃ）図２（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【図３】カンチレバー取り付け角度とサンプル配置の関係を示す概観図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の概観図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は本発明の第１の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の全体構成を示す概観図である。図１の走査型プローブ顕微鏡は、サンプルスキャン方式であり、水平方向微動機構がサンプル側に設けられている。また、図１において、図の左右方向にＸ軸を紙面に垂直な方向にＹ軸を、図の上下方向をＺ軸と規定する。
【００２２】
第１の実施形態の走査型プローブ顕微鏡１ではベースブロック２上にＸＹ面内で移動を行う水平方向粗動機構（ＸＹステージ）３を固定し、水平方向粗動機構３の移動面に同じくＸＹ面内で移動を行う水平方向微動機構（ＸＹスキャナ）４を固定する。水平方向微動機構４の移動面には、Ｚ軸まわりに回転動作を行う第一の角度調整機構（回転ステージ）５を固定し、第一の角度調整機構５の回転面にＹ軸まわりに傾斜動作を行う第二の角度調整機構（チルトステージ）６を固定し、第二の角度調整機構６の傾斜面にＸ軸まわりに傾斜動作を行う第三の角度調整機構（チルトステージ）７を固定し、第三の角度調整機構７の傾斜面にサンプル９を固定するサンプルホルダ８を設け、サンプルホルダ８上にサンプル９を固定した。
【００２３】
また、カンチレバーには先端に探針１０が設けられ変位検出機構２２がカンチレバーに組み込まれた自己変位検出型カンチレバー１１を使用した。自己変位検出型カンチレバー１１の詳細は後述する。カンチレバー１１は、カンチレバー１１の長軸が水平方向微動機構５の移動平面（本実施形態ではＸＹ平面）に直交する平面であるＸＺ平面と平行な面内で撓み変形をし、探針１０の先端がサンプルホルダ８に対向するように配置され、Ｙ軸に平行な任意軸まわりにカンチレバー１１の取り付け角度を調整可能な第四の角度調整機構である取付角度調整機構１２とカンチレバー加振用の圧電素子１３が設けられたカンチレバーホルダ１４に固定される。カンチレバーホルダ１４は、Ｚ軸方向に移動方向を一致させて配置された垂直方向微動機構１５の先端部に固定され、垂直方向微動機構１５の末端はベース部１６に固定されて、ベース部１６は探針１０をサンプル９に近接させる垂直方向粗動機構（Ｚステージ）１７の移動面に固定され、垂直方向粗動機構１７の固定面はベースブロック２に固定された支柱部１８に固定された構造である。
【００２４】
水平方向粗動機構３と垂直方向粗動機構１７は、ステッピングモータとボールネジにより駆動され、第一の角度調整機構５と第二の角度調整機構６と第三の角度調整機構７はステッピングモータとウォームギアにより駆動され、所定の方向以外の動きを規制するガイドが設けられた構造である。
【００２５】
それぞれの移動量は水平方向粗動機構３がＸ軸とＹ軸双方に５０ｍｍ、垂直方向粗動機構１７は５０ｍｍ、第一の角度調整機構である回転ステージ５は３０度、第二および第三の角度調整機構であるチルトステージ６、７はそれぞれ３０度の角度が調整可能である。これらの各位置決め機構にはエンコーダによる位置検出機構が設けられており、原点からの位置や角度が計測可能である。
【００２６】
また、水平方向微動機構４は放電加工により一体成型されたベース部に平行バネ構造で移動体を固定した構造であり、ベース部と移動体の間に積層型圧電素子を組み込み積層型圧電素子の変位を拡大して移動体を移動させる方式である。Ｘ方向Ｙ方向にそれぞれの移動量は１００μｍである。垂直方向微動機構１５も積層型圧電素子を平行バネ構造のステージに組み込んだ構造であり、垂直方向微動機構１５では拡大機構なしで積層型圧電素子の変位がそのまま出力され、最大移動量は１５μｍである。これらの水平方向微動機構５と垂直方向微動機構１５のＸＹＺの各軸には静電容量型変位計が組み込まれており、印加電圧に対して移動体が線形に動くようにクローズドループ制御されている。
【００２７】
カンチレバーホルダ１４の取付角度調整機構１２は回転軸１２ａがベアリングを介して駆着されて回転方向以外の動きが規制された構造であり、直流型リニアモータ１２ｂで駆動されて回転動作が行われる。取付角度調整機構１２にもエンコーダが組み込まれており取り付け角度が認識される。また、取り付け角度を決めた後は振動防止のため直流型リニアモータ１２ｂの励磁が切られる。なお取付角度調整機構１２の回転体は固定体に対して面接触で摺動する構造であり、停止時には摩擦力により保持される。取付角度調整機構１２の角度調整範囲は３０度である。変位検出機構をカンチレバーと別体として設けた場合にはカンチレバーの取り付け角度は変位検出機構の調整範囲によって制限されるが、本実施形態のようにカンチレバー１１に変位検出機構２２を組み込むことで、カンチレバー１１の取り付け角度は制限されず、原理的には探針１０の側面がサンプル９の表面に当たるまで傾けることが可能であり、変位検出機構を別体として設けた場合よりも角度調整範囲が広くすることが可能である。
【００２８】
次に、本発明で使用される自己検知型のカンチレバーの構造を図２に示す。図２はカンチレバー１１を探針１０側から見た低面図である。
【００２９】
図２の自己変位検出型カンチレバー１１では、先端に三角錐型の探針１０を有し末端にベース部２０を有するカンチレバー部２１に、カンチレバー２１の変位を検出するための変位検出機構２２と、変位検出機構２２に接続されベース部２０に連通する電極部２３が設けられている。ベース部２０はシリコン基板２４の上に酸化シリコン２５が積層された構造となっている。酸化シリコンの上側には、ｎ型シリコン基板２６がベース部２０からカンチレバー２１の先端まで連続して積層されており、このｎ型シリコン基板２６が主要な材料となってカンチレバー２１を形成している。
【００３０】
ｎ型シリコン基板２６の表面のカンチレバー２１の末端からベース部２０の一部にかけてカンチレバー２１の長手方向と平行に２本の直線状にｐ型不純物シリコン２２ａ、２２ｂが注入されており、このｐ型不純物シリコン２２ａ、２２ｂがピエゾ抵抗体として作用し、カンチレバー２１の変位検出機構２２を構成している。
【００３１】
ｎ型シリコン基板２６とｐ型不純物シリコン２２の表面には、電極２３ａ、２３ｂ、２３ｃとn型シリコン基板２６とｐ型シリコン基板２２ａ、２２ｂ間のリーク電流を防止するために絶縁用の酸化シリコン膜２８が形成されて、酸化シリコン膜２８の表面の一部にはアルミニウムが膜付けされ電極２３ａ、２３ｂ、２３ｃを形成している。
【００３２】
この電極部２３は、酸化シリコン膜２８の一部を除去して、２つの直線状のｐ型不純物シリコン部２２ａ、２２ｂのカンチレバー上の先端部分同士を電極２３ｃにより電気的に接続し変位検出機構２２をＵ字状に構成するとともに、ベース部２０に設けられたＵ字の末端の２箇所からそれぞれ電極２３ａ、２３ｂが連通している。
【００３３】
これらの電極部２３ａ、２３ｂはベース部２０に設けられた、メタルコンタクト部２７ａ、２７ｂまで連通しており、このメタルコンタクト部２７ａ、２７ｂが外部の電気回路に接続される。
【００３４】
カンチレバーが撓むとｐ型不純物半導体２２ａ，２２ｂに歪が生じ抵抗値が変化する。電気回路には、カンチレバー１１に組み込まれたｐ型不純物半導体２２ａ，２２ｂを含むブリッジ回路に接続されており、抵抗値が変化するとブリッジ回路の出力電圧が変化し、この変化量によりカンチレバー部２１の変位が計測される。
【００３５】
この自己検出型カンチレバー１１をカンチレバーホルダ１４に設けられた圧電素子１３により共振周波数の近傍で加振しながらサンプル９に近づけ、振幅の減衰量が一定となるように垂直方向微動機構１５で探針１０とサンプル９の距離が制御される。
【００３６】
次に、本実施形態でのサンプルの測定方法について説明する。本実施形態では従来の走査型プローブ顕微鏡で測定されるような平面形状の表面に数μｍ以下の微小な凹凸を有するサンプルだけではなく、数μｍ以上の凹凸を持つ３次元の形状をしたサンプルの測定が可能である。測定を行う場合には、水平方向粗動機構３と第一の角度調整機構５と第二の角度調整機構６と第三の角度調整機構７を任意に動作させて、被測定面が水平方向微動機構４の移動面（本実施形態ではＸＹ平面）に概ね平行となるように配置する。次に、サンプル９と探針１０を垂直方向粗動機構１７により近接させる。このとき、サンプル９の形状によっては、探針１０がサンプルに近づくよりも前にカンチレバー１１のベース部や先端部などがサンプル９に接触してしまう場合がある。このような場合には、図３に示したカンチレバー１１とサンプル９の配置の一例のように、カンチレバーホルダ１４の取付角度調整機構１２を使用して探針１０以外の場所がサンプル９に当たらないようにカンチレバーの取り付け角度を調整する。
【００３７】
その後、垂直方向微動機構１５で距離制御を行いながら、水平方向微動機構４によりサンプル９の表面を走査し、水平方向微動機構の走査範囲以下の微小領域の表面形状や物性の測定を行う。局所的な測定のみであれば以上で測定が終了する。
【００３８】
水平方向微動機構４や垂直方向微動機構１５の最大移動量を超える領域を高分解能で測定したい場合には、あらかじめ、水平方向粗動機構３と第一の角度調整機構５と第二の角度調整機構６と第三の角度調整機構７の原点を設定し、上記の水平方向微動機構４と垂直方向微動機構１５での局所的な領域での測定を複数個所測定する。このとき各ステージでの原点からの位置を各ステージに設けられた位置検出機構により認識して、複数の局所的なデータをつなぎあわせることで、広領域の３次元データが測定される。なお、カンチレバーを取付角度調整機構１２により回転したときには、Ｘ軸方向とＺ軸方向に探針先端の位置がわずかにずれるが、これらの量は回転中心１２ａから探針１０の先端までの長さと取り付け角度で算出することができるのでカンチレバーのごとに補正を行うようにした。
【００３９】
また、図１に示した光学顕微鏡１９、または、レーザ顕微鏡（コンフォーカル顕微鏡）、接触あるいは非接触型の３次元測定器、電子顕微鏡などを複合させて、各ステージの位置情報を共有し、それらの観察画像と走査型プローブ顕微鏡１による局所的な形状像や物性像などの測定データを重ね合わせたり、複合させる計測装置の観察画像から走査型プローブ顕微鏡による測定位置を指定したりすることも可能である。また、取付角度調整機構１２により回転したときの探針１０の先端の位置ずれ量を複合させる計測装置による探針先端の観察画像から補正するようにしてもよい。
【００４０】
＜第２の実施形態＞
図４は本発明の第２の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の全体構成を示す概観図である。図４の走査型プローブ顕微鏡は、カンチレバースキャン方式であり、水平方向微動機構と垂直方向微動機構がカンチレバー側に設けられている。図４においても、図の左右方向にＸ軸を紙面に垂直な方向にＹ軸を、図の上下方向をＺ軸と規定する。また、本実施形態はカンチレバーの構造や探針とサンプル間の距離制御方法は第１の実施形態と同じであるため同一の構成部品には同一の番号を付し詳細な説明は省略する。
【００４１】
第２の実施形態の走査型プローブ顕微鏡４０ではベースブロック４１上に水平方向粗動機構（ＸＹステージ）４２のベース部４２ａを固定し、ＸＹステージの移動面４２ｂにサンプルホルダ４３を設けサンプル９を固定する。
【００４２】
また、ベースブロック４１に固定された支柱部４４には、垂直方向粗動機構（Ｚステージ）４５が固定され、Ｚステージ４５の移動面にはＸ軸まわりに回転動作を行う第一の角度調整機構４６が固定され、第一の角度調整機構４６の移動面には第一の角度調整機構の回転角度が０°のときにＹ軸まわりに回転動作を行う第二の角度調整機構４７が固定され、第二の角度調整機構の回転アーム部４７ａには、第一と第二の角度調整機構の回転角度が０°のときにＺ軸まわりに回転動作を行う第三の角度調整機構４８が固定され、第三の角度調整機構４８の先端には、水平方向微動機構４９と垂直方向微動機構５０が一体成型された円筒型圧電素子５１の末端が固定されて、円筒型圧電素子５１の先端に、カンチレバー１１の取付角度調整機構５２とカンチレバー加振用の圧電素子５３が配置されたカンチレバーホルダ５４が固定されている。
【００４３】
なお、第二の角度調整機構４７と第三の角度調整機構４８の回転中心軸は第一の角度調整機構４６を含むそれぞれの角度調整機構の設定角度によって変化する。
【００４４】
水平方向粗動機構４２と垂直方向粗動機構４５は超音波モータで駆動され移動方向以外はリニアガイドで規制されている。超音波モータを使用した場合、ステージを停止させたときに静止摩擦力で移動体が保持されるために高い剛性が得られ、振動の影響に強くなり高速走査も可能となる。
【００４５】
また、第一の角度調整機構４６は円板状の移動体を有する構造である。また、第二の角度調整機構４７は回転軸４７ｂを中心に回転アーム部４７ａが回転動作をする構造である。第三の角度調整機構４８は円筒型の形状であり末端の固定部４８ａに対して先端４８ｂが回転する。これらの第一、第二、第三の角度調整機構４６、４７、４８はいずれもウォームギアと直流モータにより駆動される。水平方向粗動機構４２、垂直方向粗動機構４５、第一、第二、第三の角度調整機構４６、４７、４８にはそれぞれ位置検出器機構が内蔵されている。
【００４６】
末端部に水平方向微動機構４９が、先端部に垂直方向微動機構５０が設けられている円筒型の圧電素子５１は、圧電素子を円筒状に加工し、円周方向にポーリングを施し、内周面にグランド電極を設けグランドに接続する。水平方向微動機構４９の部分は円周に沿って９０度毎に４分割され中心軸と平行方向に電極が設けられる。この電極の対向する２つの電極に電圧を印加して、一方には引っ張り歪を与え、他方には圧縮歪を与えることで円筒型圧電素子５１の先端に変位が生ずる。このとき厳密に言えば円筒型圧電素子５１の先端は円弧運動を行うが変位量が微小であるため近似的に水平面での移動をみなすことができる。もう１対の電極にも同様に電極を印加することで先端を２次元平面内で移動させることができる。
【００４７】
垂直方向微動機構５０は外周面に円周に沿ってベタ電極を設け、この電極に電圧を印加すると一様な引っ張りまたは圧縮歪が発生して水平方向微動機構４９で移動する２次元平面に直交する円筒型圧電素子の中心軸方向に変位が生ずる。水平方向微動機構４９と垂直方向微動機構５０の変位は円筒型圧電素子５１の外周の各電極に歪ゲージを貼って歪ゲージの出力から変位を計測し印加電圧に対して線形な移動量が得られるようにクローズドループで制御される。
【００４８】
カンチレバーホルダ５４に設けられるカンチレバー１１の取付角度回転機構５２は水平方向微動機構４９で移動する２次元平面に平行な方向に回転中心軸５２ａを配置して超音波モータで駆動される構造であり、角度検出機構が内蔵されており、第１の実施形態と同様の方法により角度変更時の先端位置補正が行われる。
【００４９】
各ステージの移動量は、水平方向粗動機構４２はＸ軸とＹ軸双方に５０ｍｍ、垂直方向粗動機構４５はＺ軸方向に５０ｍｍ、第一、第二、第三の角度調整機構４６、４７、４８とカンチレバー取付角度調整機構５２の角度調整範囲はそれぞれの回転中心に対して３０度、水平方向微動機構４９は直交する２軸にそれぞれ１００μｍ、垂直方向微動機構５０は円筒型圧電素子５１の中心軸方向に１０μｍ移動が可能である。
【００５０】
次に、本実施形態での測定方法について説明する。本実施形態の場合には、先に規定したＸＹ平面に対して、水平方向微動機構４９の移動面は必ずしも一致せず、サンプル９の被測定面と水平方向微動機構４９の移動面が概ね平行になるように調整する。また、水平方向微動機構４９の移動面に直交する垂直方向微動機構５０の移動方向もＺ軸には必ずしも一致せずに、水平方向微動機構４９の移動面に対して直交する方向となる。
【００５１】
本実施形態では測定する立体形状のサンプル９の被測定面と水平方向微動機構４９の移動面が概ね平行となるように、第一、第二、第三の角度調整機構４６、４７、４８でＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に対するカンチレバーの角度を規定する。
【００５２】
次に、探針１０の直下に被測定箇所がくるように水平方向粗動機構４２で位置調整を行う。その後、垂直方向粗動機構４５により探針１０をサンプル９に近接させる。このときカンチレバー１１の根元や先端部や探針１０の側面あるいはカンチレバーホルダ５４の部材などが探針１０の先端よりも先にサンプル９に接触してしまう場合にはカンチレバー取付角度調整機構５２によりカンチレバー１１の取り付け角度を変更する。
【００５３】
その後、水平方向微動機構４２によりサンプル９の表面を走査し、水平方向微動機構と垂直方向微動機構の調整範囲内での微小領域の表面形状や物性の測定を行う。局所的な測定のみであれば以上で測定が終了する。
【００５４】
本実施形態でも、第１の実施形態と同様に水平方向微動機構４９や垂直方向微動機構５０の最大移動量を超える領域を高分解能で測定したい場合には、複数の局所的なデータをつなぎあわせて、広領域の３次元データが測定される。また、図４に記載したレーザ顕微鏡（コンフォーカル顕微鏡）５５や、光学顕微鏡、接触あるいは非接触型の３次元測定器、電子顕微鏡などを複合させて、各ステージの位置情報を共有し、それらの観察画像と走査型プローブ顕微鏡４０による局所的な形状像や物性像などの測定データを重ね合わせたり、複合させる装置の測定データから走査型プローブ顕微鏡４０による測定位置を指定したりすることも可能である。
【００５５】
以上、本発明の走査型プローブ顕微鏡について説明したが、本発明は上記の発明に限定されず、さまざまな形態に用いることができる。
【００５６】
各ステージや角度調整機構の配置は、被測定面を水平方向微動機構の移動面に平行にして、垂直方向微動機構の移動方向を水平方向微動機構の移動面に対して直交する方向に調整できれば、任意の配置が可能である。例えば第１の実施形態で垂直方向粗動機構をサンプル側に設けてもよい。また第２の実施形態で水平方向粗動機構をカンチレバー側に設けてもよい。
【００５７】
探針とサンプルの相対位置調整の自由度も本実施形態のように６自由度を設ける必要はなく、測定目的に合わせて任意の自由度で設定可能である。
粗動機構や角度調整機構、取付角度調整機構、微動機構などの形状や駆動方式も任意の方式が使用可能である。
【００５８】
また、カンチレバーに組み込まれる変位検出機構も任意の方式が使用可能である。例えばカンチレバー表面にピエゾ薄膜を設けてピエゾ薄膜のひずみを電気的に計測するものなども適用できる。また、カンチレバーホルダに水晶振動子をあらかじめ固定しておいて、カンチレバーを取り付けたときに、水晶振動子にカンチレバーが固着され、水晶振動子の周波数変動により変位を検出する方式のように、変位検出機構が１本１本のカンチレバーに直接的に組み込まれていなくてもカンチレバーに直接的に固着される構造でありカンチレバー取付後にカンチレバーの取り付け角度により変位検出機構側の調整を必要とせずに変位検出機構とカンチレバーが一体とみなすことができるものであれば本発明に含まれる。
【００５９】
また、走査型プローブ顕微鏡の測定方式も振動方式に限定されず、他の方式も適用できる。例えば、カンチレバーを振動させずにサンプルに近づけた場合の撓み量により距離制御を行うコンタクト方式や周波数変動を検出するＦＭ制御方式なども本発明に含まれる。
【００６０】
また走査型プローブ顕微鏡での測定は、形状測定に限定されず、硬さや粘弾性などの機械的な特性、電磁気的な特性、近接場光特性などの立体形状での測定も可能である。
【００６１】
以上のように本発明では、カンチレバーに変位検出機構が組み込まれているため、変位検出機構とカンチレバーが分離している場合に比べカンチレバーの取り付け角度調整範囲が大きくとれ、装置も小型化するため、従来よりも複雑な３次元形状のサンプルの形状像や物性像が高分解能で測定可能となる。
【００６２】
また、任意の軸まわりの傾斜角または回転角を調整可能な角度調整機構または水平方向粗動機構または垂直方向粗動機構のうち１つ以上の機構を移動させて、高分解能測定を行いたいサンプル表面の被測定面を、水平方向微動機構の移動面と概ね平行に配置することで、探針先端以外の箇所がサンプルに衝突したり探針側面の傾斜角の影響が測定データにアーティファクトとして現れることなしに、任意の３次元形状のサンプルの測定が可能となる。また、カンチレバーに変位検出機構が組み込まれているため装置が小型化し取り付け角度調整範囲のほか、粗動機構の移動量や角度調整機構の調整範囲も大きくとれる。
【００６３】
また、角度調整機構または水平方向粗動機構または垂直方向粗動機構に位置検出機構を設け、角度調整機構または水平方向粗動機構または垂直方向粗動機構のうち１つ以上のステージを移動させて、水平方向微動機構と垂直方向微動機構を動作させて複数個の表面形状データまたは物性データを取得し、位置検出機構の情報から、表面形状測定データまたは物性データを合成して、サンプルの３次元形状データを取得するようにしたので、広範囲の３次元形状を高分解能で測定することが可能となる。また、バネ定数の小さいカンチレバーを使用して走査型プローブ顕微鏡による距離制御を行っているため、従来の触針式の３次元測定器を用いる場合よりも測定力を小さくできるためサンプルや探針先端のダメージが少なくなり、表面が軟らかいサンプルなども測定可能となる。
【符号の説明】
【００６４】
１  走査型プローブ顕微鏡
２  ベースブロック
３  水平方向粗動機構（ＸＹステージ）
４  水平方向微動機構（ＸＹスキャナ）
５  第一の角度調整機構（回転ステージ）
６  第二の角度調整機構（チルトステージ）
７  第三の角度調整機構（チルトステージ）
８  サンプルホルダ
９  サンプル
１０  探針
１１  （自己変位検出型）カンチレバー
１２  第四の角度調整機構（取付角度調整機構）
１４  カンチレバーホルダ
１５  垂直方向微動機構
１７  垂直方向粗動機構（Ｚステージ）
１８  支柱部
２０  ベース部
２１  カンチレバー部
２２  変位検出機構
２３  電極部
２７  メタルコンタクト部
４０  走査型プローブ顕微鏡
４１  ベースブロック
４２  水平方向粗動機構（ＸＹステージ）
４３  サンプルホルダ
４４  支柱部
４５  垂直方向粗動機構（Ｚステージ）
４６  第一の角度調整機構
４７  第二の角度調整機構
４８  第三の角度調整機構
４９  水平方向微動機構
５０  垂直方向微動機構
５１  円筒型圧電素子
５２  カンチレバー取付角度調整機構
５４  カンチレバーホルダ
５５  レーザ顕微鏡（コンフォーカル顕微鏡）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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