(57)【要約】【課題】一つの駆動器で表面の高さを追従する役割とカンチレバーをその固有振動数で加振する役割を同時にできること。【解決手段】Ｘ−Ｙスキャナ１１上に、その表面の形状を測定するための対象であるサンプル１２が位置している。チップ１４とサンプル１２との間隔の変化による加振周波数ｆＲの振幅の大きさがセンシング部１３を介してセンシングされるので、周波数変換部１８は、センシングされた信号を介して実際サンプル１２とチップ１４との間の距離を算出して、測定された実際サンプル１２とチップ１４との間の距離に対応する低周波信号ｆＬを出力する。周波数発生部１９は、カンチレバー１５を加振するための加振周波数ｆＲを出力し、周波数合成部２０は、加振周波数ｆＲと駆動部１６のＺ方向駆動の低周波信号ｆＬを合成した後、このように合成された信号を介して駆動部１６を駆動させる。【選択図】        図１
2004163390.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ軸及びＹ軸方向へ移動するサンプルと一定の距離を保持しながら、前記サンプルの表面形状を自己の共振周波数の振幅変化を通してセンシングするセンシング手段と、
該センシング手段を通してセンシングされた信号を周波数形態の第１信号に変換して出力する周波数変換手段と、
前記第１信号と周波数発生手段から出力される第２信号とを合成する周波数合成手段と、
前記合成された信号の内、前記第２信号に比べて相対的に低周波である前記第１信号に応答して、前記センシング手段をＺ軸方向に駆動させ、該センシング手段が、前記第１信号に比べて相対的に高周波である前記第２信号のみで選択的に作動するように前記合成された信号を前記センシング手段に提供する駆動手段と
を備えたことを特徴とする非接触式表面測定装置。
【請求項２】
前記センシング手段は、
前記第１信号に応答した前記駆動手段のＺ軸方向への移動により、自己と前記サンプルとの間隔を保持しながら、前記サンプルとの間隔の変位に該当する自己の前記共振周波数の振幅の大きさの変化をセンシングすることを特徴とする請求項１に記載の非接触式表面測定装置。
【請求項３】
前記駆動手段は、前記第１信号に応答した動作を通して、実質的に低域通過フィルタの役割を行うことを特徴とする請求項１に記載の非接触式表面測定装置。
【請求項４】
前記センシング手段は、
その一端が前記駆動手段に接続されたカンチレバーと、
該カンチレバーの他端に接続され、前記サンプルの表面を追従するチップと、
前記カンチレバーの所定領域に取り付けられて前記チップを介して前記サンプルの表面形状をセンシングするセンシング部と
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の非接触式表面測定装置。
【請求項５】
前記チップは探針形状であって、ＡＦＭの用途に用いられることを特徴とする請求項４に記載の非接触式表面測定装置。
【請求項６】
前記チップは孔のある形状であって、ＮＳＯＭの用途に用いられることを特徴とする請求項４に記載の非接触式表面測定装置。
【請求項７】
前記サンプルは、その下段に位置したＸ−ＹスキャナーによりＸ軸及びＹ軸方向へ移動することを特徴とする請求項１に記載の非接触式表面測定装置。
【請求項８】
前記駆動手段は、
圧電アクチュエータ、バイモルフアクチュエータ、またはＶＣＭのいずれか１つからなることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の非接触式表面測定装置。
【請求項９】
Ｘ軸及びＹ軸方向へ移動するサンプルと一定の距離を保持しながら、前記サンプルの表面形状をセンシング手段の共振周波数の振幅変化を通してセンシングするステップと、
前記センシング手段によってセンシングされた信号を周波数形態の第１信号に変換するステップと、
前記第１信号と周波数発生手段から出力される第２信号とを合成するステップと、
前記合成された信号を駆動手段にフィードバックするステップと、
伝達された前記合成された信号の内、前記第２信号に比べて相対的に低周波である前記第１信号に応答してＺ軸方向に前記駆動手段を駆動させ、前記第１信号に比べて相対的に高周波である前記第２信号のみで選択的に前記センシング手段を作動させる周波数応答分離動作を実施するステップと
を備えたことを特徴とする非接触式表面測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、周波数応答分離方式を用いた非接触式表面測定装置及びその測定方法に関し、より詳細には、周波数応答分離法を通して、非接触式で表面形状をＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）及びこれと類似する顕微鏡で一つの駆動器を利用して、表面の形状を追従する役割と駆動器に取り付けられているセンサを振動させる（加振する）役割とを同時に行うことのできる非接触式表面測定装置及びその測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ナノメートル水準の表面形状及び特性を測定するためのＳＰＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｐｒｏｂｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）は、チップを表面に接触する接触式と接触しない非接触式との大きく２種類がある。
【０００３】
非接触式において、カンチレバー（Ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ）チップをその固有振動数で振動しなければならないが、このような振動のための駆動器には、広い周波数領域を有する圧電性物質（Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｍａｔｅｒｉａｌ）を用いて電圧を加えてサンプルをＸ、Ｙ、Ｚ軸方向へ移動させてスキャンされるようにするＰＺＴスキャナーを用いる場合が殆どである。
【０００４】
特に、光学的な方法でチップとサンプルとの間の距離を保持する場合、振動のための駆動器とサンプルの高さ方向へのスキャン（駆動）のための駆動器とを別々に備えなければならなかった。
【０００５】
チップとサンプルとの間の距離を非接触方式で測定するための方法に光学的な方法を用いない場合、光ファイバや炭素ナノチューブ（Ｃａｒｂｏｎ  ｎａｎｏｔｕｂｅ）をチューニングフォークに取り付けて、チューニングフォークにおける振動幅を測定する方法がある。または、カンチレバー自体にセンサを設けたり、工程で製作してカンチレバーを接触式に用いたり、またはそれ自体を駆動させて共振させる方法が提示されている。
【０００６】
以下、上述したような各従来技術について説明する。
【０００７】
＜第１の従来の技術＞
レーザーダイオード（以下、ＬＤという）とフォトダイオード（以下、ＰＤという）を用いてカンチレバーの終端における変位量を測定する方法は、ＳＰＭ分野では最も広く知られている方法である。この場合、ＬＤとＰＤの整列のための努力が必要となるが、開発された技術を土台として比較的容易に整列できる。
【０００８】
しかし、カンチレバーを固定した部分において大きな変位を有すると、光学的な整列が乱れるので、固定した部分における加振される量は非常に少なくなる。これによって振動のための駆動器とチップと表面との間の間隔調節用の駆動器を一つの形態に組み合わせることができず、カンチレバーを固有振動数で振動させるための駆動器と表面の高さ方向への駆動のための駆動器（Ｚ方向のＴｕｂｅ  ｓｃａｎｎｅｒ）が別途必要となる。一方、フォトダイオードから出力される信号をロックイン増幅器（Ｌｏｃｋ’ｉｎ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）を介して信号処理すべきであることはいずれの場合も同様である（特許文献１参照）。
【０００９】
＜第２の従来の技術＞
非接触式でチップと表面との間の間隔を測定するための方法に、チューニングフォークを用いる方法がある。チューニングフォークにＮＳＯＭ（Ｎｅａｒ  ｆｉｅｌｄ  Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）用の光ファイバを取り付けたり、ＡＦＭ用の炭素ナノチューブを取り付けたりする方法がある。この２つの方法ともにチューニングフォークがチップ／表面の間隔が変化することに伴って、その振動幅が変化することを電気的、または光学的に信号を介して測定する。この場合、チューニングフォークに光ファイバや炭素ナノチューブを取り付ける方法が非常に煩雑であり、その取り付けの瞬間ごとに応じて敏感度が変化するという短所がある。
【００１０】
また、この場合も、チップ／表面間の間隔を測定するものに用いられるので、表面形状によるＺ方向の駆動役割をする駆動器は別途必要となる。このようなことは、主にＸＹＺ  Ｓｃａｎｎｅｒが行うことになる（非特許文献１，特許文献２参照）。
【００１１】
＜第３の従来の技術＞
ＳＰＭの光学的な整列の困難さを解消するための方法として、圧電抵抗（Ｐｉｅｚｏ−ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）材料をカンチレバーにドープ、または工程で処理して、センサ付きのカンチレバーを用いることが広く用いられている。このような場合、センサ付きのカンチレバーを表面形状によるＺ方向の駆動役割をする駆動器に取り付けて用いることができるという長所がある。しかし、現在までこのようなセンサ付きのカンチレバーを非接触式で用いる場合、上述した＜第１の従来の技術＞のように、カンチレバーを固有振動数で共振させる駆動器と表面形状に沿ってＺ方向に駆動する駆動器とを分離して用いている。または、光学的な整列の困難さを回避できる環境における接触式表面形状、または特性測定のために用いられている。また、光学的な方法よりは敏感度が落ちるので、表面形状の分解能が少し低い状況である。しかし、非接触式方法を用する場合、ロックイン増幅器を用いるので敏感度面においては大きな差がない（非特許文献２参照）。
【００１２】
＜第４の従来の技術＞
センサ付きのカンチレバーよりさらに発展したものに、カンチレバーにセンサと駆動器を工程順序において一括的に作ったカンチレバーがある。この場合、カンチレバーの固有振動数をカンチレバーの形状に応じて設計することが容易であい、センサ／駆動器カンチレバーを用いる場合、それ自体を駆動しながらセンシングするのに良い方法である。
【００１３】
しかし、この場合、カンチレバーを製作することにおいて、固有振動数を高くするための設計方向とカンチレバーの駆動範囲を大きくする方向の間には、トレードオフ（Ｔｒａｄｅ  ｏｆｆ）が発生するようになる。一般に、今まで用いているカンチレバーの駆動範囲は、約１μｍの水準である。この程度の水準で測定できる表面形状もあり得るが、一般的なサンプルの表面は、サンプルが置かれた状況に応じてその傾斜程度を考慮すると、１０μｍ程度の駆動範囲を有するべきである。
【００１４】
したがって、この技術を実際に応用するに際しては、表面形状をＺ方向に駆動する別の駆動器が必要となる。勿論、それ自体に駆動させ得る駆動器があるので、カンチレバーを固有振動数で駆動する駆動器に置き換えることができる（非特許文献３参照）。
【００１５】
【特許文献１】
米国特許第５，９５５，６６０号明細書
【００１６】
【特許文献２】
米国特許第６，０９４，９７１号明細書
【００１７】
【非特許文献１】
“Ｎｏｎ−ｃｏｎｔａｃｔ  ａｔｏｍｉｃ  ｆｏｒｃｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ  ｉｎ  ｌｉｑｕｉｄ  ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ  ｗｉｔｈ  ｑｕａｒｔｚ  ｔｕｎｉｎｇ  ｆｏｒｋ  ａｎｄ  ｃａｒｂｏｎ  ｎａｎｏｔｕｂｅ  ｐｒｏｂｅ”、Ｍａｓａｍｉ  Ｋａｇｅｓｈｉｍａ  ａｎｄ  ｅｔａｌ、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｓｃｉｅｎｃｅ、７６９５（２００２）、ｐｐ１−５
【００１８】
【非特許文献２】
“Ａｔｏｍｉｃ  ｆｏｒｃｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ  ｐｒｏｂｅ  ｗｉｔｈ  ｐｉｅｚｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  ｒｅａｄ−ｏｕｔ  ａｎｄ  ａ  ｈｉｇｈｌｙ  ｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ  Ｗｈｅａｔｓｔｏｎｅ  ｂｒｉｄｇｅ  ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ”、Ｊ．Ｔｈａｙｓｅｎ  ａｎｄ  ｅｔ  ａｌ、Ｓｅｎｓｏｒ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ  ８３（２０００）、ｐｐ４７−５３
【００１９】
【非特許文献３】
“Ｍｉｃｒｏ−ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ  ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ  ｆｏｒ  ａｔｏｍｉｃ  ｆｏｒｃｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ”、Ｓｈｕｎｊｉ  Ｗａｔａｎａｂｅ  ａｎｄ  Ｔｏｒｕ  Ｆｕｊｉｉ、Ｒｅｖ、Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．６７（１１）、１９９６、ｐｐ３８９８−３９０３
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、表面形状をＺ方向に駆動する別の駆動器を使用せず、一つの駆動器で表面の高さを追従する役割とカンチレバーをその固有振動数で加振する役割とを同時に行うことのできる非接触式表面測定装置及びその測定方法を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、Ｘ軸及びＹ軸方向へ移動するサンプルと一定の距離を保持しながら、前記サンプルの表面形状を自己の共振周波数の振幅変化を通してセンシングするセンシング手段と、該センシング手段を通してセンシングされた信号を周波数形態の第１信号に変換して出力する周波数変換手段と、前記第１信号と周波数発生手段から出力される第２信号とを合成する周波数合成手段（前記第２信号は、前記共振周波数と同一であり、前記第１信号に比べて高周波である）と、前記合成された信号の内、前記第２信号に比べて相対的に低周波である前記第１信号に応答して、前記センシング手段をＺ軸方向に駆動させ、該センシング手段が、前記第１信号に比べて相対的に高周波である前記第２信号のみで選択的に作動するように前記合成された信号を前記センシング手段に提供する駆動手段とを備えたことを特徴とする。
【００２２】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記センシング手段は、前記第１信号に応答した前記駆動手段のＺ軸方向への移動により、自己と前記サンプルとの間隔を保持しながら、前記サンプルとの間隔の変位に該当する自己の前記共振周波数の振幅の大きさの変化をセンシングすることを特徴とする。
【００２３】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記駆動手段は、前記第１信号に応答した動作を通して、実質的に低域通過フィルタの役割を行うことを特徴とする。
【００２４】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記センシング手段は、その一端が前記駆動手段に接続されたカンチレバーと、該カンチレバーの他端に接続され、前記サンプルの表面を追従するチップと、前記カンチレバーの所定領域に取り付けられて前記チップを介して前記サンプルの表面形状をセンシングするセンシング部とを備えたことを特徴とする。
【００２５】
また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記チップは探針形状であって、ＡＦＭの用途に用いられることを特徴とする。
【００２６】
また、請求項６に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記チップは孔のある形状であって、ＮＳＯＭの用途に用いられることを特徴とする。
【００２７】
また、請求項７に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記サンプルは、その下段に位置したＸ−ＹスキャナーによりＸ軸及びＹ軸方向へ移動することを特徴とする。
【００２８】
また、請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７のいずれかに記載の発明において、前記駆動手段は、圧電アクチュエータ、バイモルフアクチュエータ、またはＶＣＭのいずれか１つからなることを特徴とする。
【００２９】
また、請求項９に記載の発明は、Ｘ軸及びＹ軸方向へ移動するサンプルと一定の距離を保持しながら、前記サンプルの表面形状をセンシング手段の共振周波数の振幅変化を通してセンシングするステップと、前記センシング手段によってセンシングされた信号を周波数形態の第１信号に変換するステップと、前記第１信号と周波数発生手段から出力される第２信号とを合成するステップ（前記第２信号は、前記共振周波数と同一であり、前記第１信号に比べて高周波である）と、前記合成された信号を駆動手段にフィードバックするステップと、伝達された前記合成された信号の内、前記第２信号に比べて相対的に低周波である前記第１信号に応答してＺ軸方向に前記駆動手段を駆動させ、前記第１信号に比べて相対的に高周波である前記第２信号のみで選択的に前記センシング手段を作動させる周波数応答分離動作を実施するステップとを備えたことを特徴とする。
【００３０】
このように、本発明は、非接触式で表面形状を測定するＡＦＭ及びこれと類似した顕微鏡において、一つの駆動部を利用して表面の形状を追従する役割と、駆動器に取り付けているセンシング部を加振する役割とを同時に行うことのできる非接触式表面測定装置及びその測定方法に関するものである。
【００３１】
本発明の非接触式表面測定装置は、数１０μｍの行程範囲を有する駆動部と、それ自己センシングカンチレバーから構成される。探針とサンプルとの間の間隙測定は、駆動部を自己センシングカンチレバーの固有振動数で振動（加振）させ、その振動された自己センシングカンチレバーの振動幅の変化を測定することによって可能となり、このように測定された間隙が一定になるようにフィードバック回路を介して制御することにおいて、サンプル表面の屈曲による間隙の差が発生する時、この間隙を一定にするために自己センシングカンチレバーを加振するものと同じ駆動器を用いて非接触式表面測定装置の構造を単純化する。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
図１は、本発明の非接触式表面測定装置の一実施例を説明するための構成図で、自己センシングカンチレバーと駆動器とが結合された電子顕微鏡を示す概略図で、周波数応答分離法を用いた非接触式ＡＦＭ構造の概念図である。
【００３３】
図１を参照すると、ベース部１０上に、Ｘ−Ｙ方向へ移動しながらスキャニング可能にするＸ−Ｙスキャナ１１が配置されており、このＸ−Ｙスキャナ１１上に、その表面の形状を測定するための対象であるサンプル１２が位置している。
【００３４】
サンプル１２の上部には、自己センシングが可能なカンチレバー１５がセンシング部１３をその自体に備え、サンプル１２の表面をセンシングするためにその他端にチップ１４を有するように配置されている。カンチレバー１５の一端は、カンチレバー１５をＺ方向に駆動させるための駆動部１６を介して支持されており、この駆動部１６は、固定部材１７を介して支持されている。
【００３５】
チップ１４とサンプル１２との間隔の変化による加振周波数ｆＲ（すなわち、カンチレバー１５の共振周波数）の振幅の大きさがセンシング部１３を介してセンシングされるので、周波数変換部１８（例えば、ロックイン増幅器；以下、ロックイン増幅器という）は、このようにセンシングされた信号を介して実際サンプル１２とチップ１４との間の距離を算出して、測定された実際サンプル１２とチップ１４との間の距離に対応する低周波信号ｆＬを出力する。
【００３６】
周波数発生部１９（例えば、ファンクションジェネレーター（Ｆｕｎｃｔｉｏｎ  Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）；以下、ファンクションジェネレーターという）は、カンチレバー１５を加振するための加振周波数ｆＲ（例えば、ｆＬ＝１ｋＨｚ、ｆＲ＝３７ｋＨｚ）を出力し、周波数合成部２０は、このような加振周波数ｆＲと駆動部１６のＺ方向駆動の低周波信号ｆＬを合成した後、このように合成された信号を介して駆動部１６を駆動させる。
【００３７】
以下に、より具体的に説明する。
ファンクションジェネレーター１９から発生されるカンチレバー１５加振用信号とサンプル５００の屈曲による低周波信号ｆＬとを合成する周波数合成部２０から出力される信号ｆＬ＋ｆＲは、一つの駆動部１６に加えられる。加えられる信号ｆＬ＋ｆＲは、電圧信号で駆動器を駆動させるようになり、この駆動力は、カンチレバー１５のＺ方向の動きと同時に固有振動数への共振も同時に発生させるようになる。
【００３８】
共振された信号の大きさ、すなわち、振幅はカンチレバー１５のチップ１４とサンプル１２との表面間の間隔により変化するようになる。したがって、このような振幅の変化は、カンチレバー１５に取り付けられたセンシング部１３を介して測定され、これはさらにロックイン増幅器１８を介して実際測定されたサンプル１２の屈曲と算出することになる。
【００３９】
このように測定された信号を、ロックイン増幅器１８を介してサンプルの屈曲を測定するようになり、これはまた駆動部１６を制御するための信号、すなわち、低周波信号ｆＬとして用いられ、周波数合成部２０を経由するフィードバックループを回るようになる。
【００４０】
図２は、本実施例において一つの駆動部に加えられる二つの周波数領域の入力信号を合わせる方法を説明するための概念図である。カンチレバーの固有振動数に該当する周波数の電圧信号と表面の屈曲に該当する電圧信号とを電圧合算増幅器で合わせることについて説明する。
【００４１】
図２を参照すると、合わせられた電圧信号の最大値と最小値は、増幅器が支援する最高電圧を越えることができない。共振させる周波数ｆＲにおける電圧は、非常に小さくてもカンチレバー１５を共振させるのには十分であるので、信号の形状はサンプル１２の表面屈曲による形状と殆ど差がなくなる。
【００４２】
図３は、周波数合成部を介して合わせられた電圧信号が駆動部とセンシング部とから構成されているシステムにおいて、どのように分離されるかを説明するために駆動部とセンシング部とから構成されているシステムを数学的にモデリングしたブロック図で、駆動部とセンシング部とを含むシステムの周波数応答差による周波数の分離効果を示す。
【００４３】
図３を参照すると、駆動部１６とセンシング部１３は、各々質量Ｍ、ｍ、スプリングｋｖ、ｋｃ及び減衰器ｂｖ、ｂｃを含む構造に細分化してモデリングできる。
【００４４】
また、駆動部１６とセンシング部１３は、各々異なる質量とスプリング及び減衰器に該当する値を有しているので、各々が敏感に反応する周波数帯域において大きな差があると説明できる。
【００４５】
カンチレバー１５の共振周波数ｆＲが駆動部１６の共振周波数帯域に比べて相対的に非常に大きいため、駆動部１６は、それ自体に低域通過フィルタ（Ｌｏｗ−ｐａｓｓ  ｆｉｌｔｅｒ）の役割によって、高い周波数帯域の電圧信号による駆動部１６の動きは非常に小さく、低い周波数帯域の電圧信号に対してはその応答が１：１に現れるので、自然な周波数応答分離法による信号分離がなされると見られる。
【００４６】
このように分離された信号の中から高い周波数帯域へ加えられる駆動部１６は、たとえその応答が非常に小さいであるが、カンチレバー１５が非常に小さく、共振点において加えられる加振力が非常に小さくても大きい応答を示すので、センサとしての役割をするのには全く支障がなくなる。
【００４７】
下記の数１と数２は、各々上述した図３のブロック図を数式に表現した動力学式である。
【００４８】
【数１】
Ｍｘｖ”  ＋  ｂｖｘｖ’  ＋  ｋｖｘｖ  ＋  ｂｖ（ｘｖ’  −  ｘｃ’）  ＋  ｋｃ（ｘｖ  −  ｘｃ）  ＝  Ｆ
【００４９】
【数２】
ｍｘｃ”  ＋  ｂｃ（ｘｃ’  −  ｘｖ’）  ＋  ｋｃ（ｘｃ  −  ｘｖ）  ＝  ０
【００５０】
ここで、Ｍは、駆動部１６の質量、ｍはセンシング部１３の質量、ｘｖは駆動部１６の変位、ｘｖ’は時間に対して微分したものであって、駆動部１６の速度、ｘｖ”はｘｖを時間に対して二回微分したものであって、駆動部１６の加速度、ｘＣはセンシング部１３の変位、ｘＣ’はｘＣを時間に対して微分したものであって、センシング部１３の速度、ｘＣ”はｘＣを時間に対して二回微分したものであって、センシング部１３の加速度、ｋＶは駆動部１６のスプリング定数、ｋＣはセンシング部１３のスプリング定数、ｂＶは駆動部１６の減衰定数、ｂＣはセンシング部１３の減衰定数を表し、Ｆは力、すなわち、駆動部１６を動かす駆動力を示す。
【００５１】
従って、数１は、駆動力Ｆにより発生する駆動部１６の細部的な力を示す。したがって、左項の各力の和は、右項の駆動力Ｆと同一になる。
【００５２】
以下、各力に対して具体的に説明する。
Ｍｘｖは、駆動部１６の質量Ｍと駆動力Ｆによる実質的な駆動部１６の加速度ｘｖ”を乗じた値であって、物理的には駆動力Ｆにより駆動部１６が所定の加速度で運動することを意味する。ｂｖｘｖ’は、駆動部１６の減衰定数ｂｖと駆動部１６の速度ｘｖ’とを乗じた値であり、ｋｖｘｖは、駆動部１６のスプリング定数ｋｖと駆動部１６の変位ｘｖとを乗じた値である。
【００５３】
また、ｂｖ（ｘｖ’−ｘｃ’）は、駆動部１６の変位ｘｖに対する相対的な変位を考慮した減衰特性に対する力を示し、ｋｃ（ｘｖ−ｘｃ）は、カンチレバー１５の変位ｘｃに対する相対的な変位を考慮した弾性特性に対する力を示す。
【００５４】
数２は、駆動部１６が数１の動作をする場合のカンチレバー１５の作動を示す。この場合、右辺項の値が「０」となる理由は、カンチレバー１５の自体には外部の力が加えられなかったためであり、ｍｘｃ”は、カンチレバー１５の質量ｍと実質的なカンチレバー１５の加速度ｘｃ”とを乗じた値であって、物理的には「０」である駆動力によりカンチレバー１５が所定の加速度で運動することを意味する。
【００５５】
また、ｂｃ（ｘｃ’−ｘｖ’）は、カンチレバー１５の変位ｘｃに対する相対的な変位を考慮した減衰特性に対する力を示し、ｋｃ（ｘｃ−ｘｖ）は、駆動部１６の変位ｘｖに対する相対的な変位を考慮した弾性特性に対する力を示す。
【００５６】
上述した数１と数２をラプラス変換（Ｌａｐｌａｃｅ  ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）を通して、駆動力による変位の比で表現したものが下記の数３ないし数５である。
【００５７】
【数３】
2004163390.tif 000003
【００５８】
【数４】
2004163390.tif 000004
【００５９】
【数５】
2004163390.tif 000005
【００６０】
数３は、駆動力Ｆに対する駆動部１６の変位ｘｖを表し、数式４は、駆動力Ｆに対するカンチレバー１５の変位を表し、数５は、駆動部１６の変位ｘｖに対するカンチレバー１５の相手変位ｘｃ−ｘｖを表す。
【００６１】
図４Ａないし図４Ｃは、駆動部と自己センシングカンチレバー１５の周波数応答現象に対する数学的な解析結果をグラフに示す図で、上述した図３で数学的にモデリングしたものを数３ないし数５を通してその応答差がどのように現れるかを説明している。
【００６２】
図４Ａないし図４Ｃを参照すると、駆動部１６に加えられる電圧は駆動力Ｆを発生させ、その発生された力によって駆動部１６も変位を得るようになり、カンチレバー１５も動くようになる。
【００６３】
図４Ａから確認できるように、駆動部１６の変位は、カンチレバー１５が共振される周波数ｆＲ、すなわち、高周波においてその応答が非常に小さく現れ、示された「Ａ」のように１０２Ｈｚの低周波信号であるｆＬによる変位の変化程度が最も大きいことを確認できる。
【００６４】
これに比べて図４Ｂから確認できるように、カンチレバー１５の変位は、駆動部１６に比べて１０５Ｈｚの高周波においても変位のピーク値を示していることが分かる。
【００６５】
ここで、図面符号「Ｂ」と「Ｃ」は、二つの共振周波数を示す。
結果的に、図４Ｃの「Ｄ」のように、駆動部１６の変位ｘｖに対するカンチレバー１５の相対的な変位が１０５Ｈｚの高周波領域で最も大きく現れることを確認することができ、実際の作動時センシング部１３は、相対的な変位が発生しないとセンシングしないので、図４Ｃのような相対的変位のみをセンシングするようになる。
【００６６】
したがって、本実施例では駆動部１６とは異なって、センシング部１３の反応はその共振点のみで最も大きいので、こういう特徴を利用してセンシング部１３の共振周波数ｆＲに該当する電圧信号をサンプル表面の屈曲信号に足して加えるようになる。
【００６７】
図５は、駆動部の周波数応答現象に対する実験結果をグラフに示す図で、代表的な駆動部であるＶＣＭ（Ｖｏｉｃｅ  Ｃｏｉｌ  Ｍｏｔｏｒ）の周波数応答結果を示す図である。
また、図６は、センシング部の周波数応答現象に対する実験結果をグラフに示す図である。
【００６８】
図５を参照すると、駆動部１６は、１００Ｈｚと１０Ｈｚとの間で入力電圧に応じた速度（変位の変化）の比がピーク値を有し、これは図４Ａのような理論的なグラフと類似した低周波領域においてプロファイル（Ｐｒｏｆｉｌｅ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｒａｎｇｅ（Ｈｚ））を有することを立証するものである。それに対し、１０３Ｈｚ〜１０５Ｈｚでは低周波で有したプロファイルを有し得ないことが分かる（Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｒａｎｇｅ）。
【００６９】
図６を参照すると、これは図４Ｃに対応するものであって、カンチレバー１５、具体的にはセンシング部１３の固有振動数ｆＲである３７．４２５Ｈｚにおいて、入力に対する出力の比が最も大きく現れることが分かる。
【００７０】
上述した図５と図６の実験結果から確認できるように、ＶＣＭの場合、低周波ではその応答が大きいが、高周波、特にカンチレバー固有振動数に該当する周波数ではその応答が顕著に小さいことが分かる。これは機械システムが低域通過フィルタとしての機能を有していることを証明する実験結果である。
【００７１】
勿論、この駆動部１６が高周波において複数のモードがあるため、高周波における複数の共振点があるが、根本的にはその応答の大きさは自然に小さくなることが分かる。これに対し、カンチレバー１５の場合、自分の固有振動数ｆＲに該当する周波数において高敏感度を有し、小さな加振力にも敏感な応答を示す。この敏感な応答を通してチップ１４とサンプル１２との表面間の距離を敏感に測定できるようになる。
【００７２】
図７は、サンプルの表面とチップとの間の間隔（μｍ）によるカンチレバー振幅変化及び表面測定のための間隔設定をグラフに示す図で、カンチレバーを固有振動数で加振しチップの終端を表面に近づけながら得たカンチレバーの振幅に当たるセンサの電圧値Ｖを測定したものである。
【００７３】
図７を参照すると、図面符号「Ｅ」のように、チップ１４がサンプル１２の表面に近づくと、カンチレバー１５の振幅が減少することになり、これによりセンシング電圧値も減少する。このように減少する電圧値は、サンプル１２の表面との距離（間隔）が減少しながら急激に変化し、この急激に変化する所の電圧値を基準として間隔を、フィードバック制御を通して調節すると、サンプル１２の表面とチップ１４との間の間隔を一定に保持できる。このようにチップ１４とサンプル１２表面との間の距離を一定に保持するため、センシング電圧を一定のレベルに保持するようにし、このような点を制御点（Ｒｅｇｕｌａｔｉｎｇ  ｐｏｉｎｔ）「Ｐ」という。
【００７４】
図８は、非接触式で１０μｍ標準格子の表面形状を測定した結果をグラフに示す図で、上述した図１の測定装置で図７のフィードバック制御する途中に、間隔１０μｍ格子の標準サンプルをＸ−Ｙスキャナ１１上に載置し、縦横各々５０μｍを測定した結果と縦横各々１５μｍを測定した結果を示す図である。
図８を参照すると、標準サンプルの形状がよく現れることが分かり、これにより本周波数応答分離法が良い性能を示すことを確認できる。
【００７５】
図９は、本発明の周波数応答分離法を適用して実施できる組み合わせの他の実施例を示すブロック図である。
【００７６】
図９を参照すると、駆動部には、上述した実施例で検討した行程範囲が長い圧電アクチュエータ（Ｐｉｅｚｏ  ａｃｔｕａｔｏｒ）９１とバイモルフアクチュエータ（Ｂｉｍｏｒｐｈ  ａｃｔｕａｔｏｒ）９２及びＶＣＭ９３などがある。
【００７７】
圧電アクチュエータ９１は、固定部材９１０と、固定部材９１０に一端が接続されてＺ方向に駆動されるアクチュエータ９１１とから構成されて、図１の実施例において、上述したような作動をする。
【００７８】
バイモルフアクチュエータ９２は、固定部材９２０と互いに異なる電気的、または熱的特性を有する二つの金属９２１、９２２が接触された形態のアクチュエータの一端が固定部材９２０に接続されてＺ方向に駆動される。
【００７９】
ＶＣＭ９３は、ベース部９３３とその上部の支持部材９３０と連結部材９３２及びアクチュエータ９３１とから構成されてＺ方向に駆動される。
【００８０】
上述した圧電アクチュエータ９１とバイモルフアクチュエータ９２及びＶＣＭ９３の共通的な特徴は、行程範囲が表面の高低を超過する行程範囲を有するという点である。
これにより、これらはたとえ高周波数においてその応答変位量が少ないとしても駆動部としての適用が可能である。
【００８１】
一方、カンチレバーは、それ自体にセンシング部９４１、９５１を装着したものであって、探針チップ９４２のみある場合９４と、孔があるチップ９５２がある場合がある。探針のみあるチップ９４２の場合は、ＡＦＭ形状測定が可能であり、孔があるチップの場合はＮＳＯＭが可能である。
【００８２】
図１０は、本発明の他の実施例に係る周波数応答分離動作を用いた非接触式表面測定方法を図式化したフローチャートを示す図である。
図１０を参照すると、Ｘ軸及びＹ軸方向へ移動するサンプルと一定の距離を保持しながらサンプルの表面形状をセンシング部の共振周波数の振幅変化を通してセンシングする（Ｓ１００）。
【００８３】
次いで、センシングされた信号を周波数形態の第１信号に変換する（Ｓ１０１）が、ここで第１信号は、サンプルの表面形状がチップとサンプル表面との間隔変化による第２信号の振幅変化にセンシングされたものを低周波形態に変換されたアナログ信号である。
【００８４】
前記第１信号と周波数発生部、例えば、ファンクションジェネレーターから出力される第２信号を合成する（Ｓ１０２）。ここで、第２信号は、共振周波数と同一であり第１信号に比べて高周波である。
【００８５】
次いで、合成された信号を駆動部にフィードバックループを介して伝送すると（Ｓ１０３）、伝送された合成信号の内、前記第２信号に比べて相対的に低周波である第１信号に応答してＺ軸方向に駆動部を駆動させ（Ｓ１０４）、第１信号に比べて相対的に高周波である第２信号のみで選択的にセンシング部を作動させる周波数応答分離動作（Ｓ１０５）がなされる。
【００８６】
上述したようになされる本発明は、既存のＡＦＭ、ＮＳＯＭに適用して使用できる周波数応答分離法を利用して、一つの駆動部でサンプルの表面高さを追従する役割とカンチレバーをその固有振動数で加振動する役割を同時に行えるようにする。したがって、既存のＡＦＭとＮＳＯＭなどの装置構造を簡単にすることができ、駆動部の数が減少するだけでなく、これによる構造の単純化と駆動部増幅器の単純化によって、コスト面や構造面において良い長所があることを、実施例を通して確認した。
【００８７】
なお、本発明は、上述した実施例に限られるものではない。本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。
【００８８】
例えば、上述したような簡単な構造のため、原子顕微鏡などの表面測定装置のみでなく、光学と形状情報まで測定するＮＳＯＭ、表面の段差を測定するアルファステップ、探針型高密度光情報貯蔵装置において光情報の記録及び再生に必要な近接場ヘッドとサンプルとの間の間隙調節装置などに多様に応用可能である。
【００８９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、一つの駆動器で表面の高さを追従する役割とカンチレバーをその固有振動数で加振する役割を同時に行うことができ、駆動部の数を減少させることができるのみでなく、これによる構造の単純化に期することができ、コスト対性能比を向上させることのできる優れた効果を期待することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の非接触式表面測定装置の一実施例を説明するための構成図である。
【図２】本実施例において一つの駆動部に加えられる二つの周波数領域の入力信号を合わせる方法を説明するための概念図である。
【図３】周波数合成部を介して合わせられた電圧信号が駆動部とセンシング部とから構成されているシステムにおいて、どのように分離されるかを説明するために駆動部とセンシング部とから構成されているシステムを数学的にモデリングしたブロック図である。
【図４Ａ】駆動部と自己センシングカンチレバーの周波数応答現象に対する数学的な解析結果をグラフに示す図（その１）である。
【図４Ｂ】駆動部と自己センシングカンチレバーの周波数応答現象に対する数学的な解析結果をグラフに示す図（その２）である。
【図４Ｃ】駆動部と自己センシングカンチレバーの周波数応答現象に対する数学的な解析結果をグラフに示す図（その３）である。
【図５】駆動部の周波数応答現象に対する実験結果をグラフに示す図である。
【図６】センシング部の周波数応答現象に対する実験結果をグラフに示す図である。
【図７】サンプルの表面とチップとの間の間隔（μｍ）によるカンチレバー振幅変化及び表面測定のための間隔設定をグラフに示す図である。
【図８】非接触式で１０μｍ標準格子の表面形状を測定した結果をグラフに示す図である。
【図９】本発明の周波数応答分離法を適用して実施できる組み合わせの他の実施例を示すブロック図である。
【図１０】本発明の他の実施例に係る周波数応答分離動作を用いた非接触式表面測定方法を図式化したフローチャートを示す図である。
【符号の説明】
１０      ベース部
１１      Ｘ−Ｙスキャナ
１２      サンプル
１３      センシング部
１４      チップ
１５      カンチレバー
１６      駆動部
１７      固定部材
１８      周波数変換部（ロックイン増幅器）
１９      周波数発生部（ファンクションジェネレーター）
２０      周波数合成部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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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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