(57)【要約】【課題】微動手段の変位誤差を低減した高精度な走査型プローブ顕微鏡の提供。【解決手段】試料１との相対位置を３次元的に変位可能な微動手段５には、カンチレバー台３およびカンチレバー振動手段４を介してカンチレバー２が取り付けられている。カンチレバー変位検出手段６の出力信号を交流信号抽出信号７により交流信号のみを抽出した後、制御信号生成手段８の出力信号が一定の値となるように、制御手段９により微動手段５のＺ方向の変位をフィードバック制御する。Ｚフィードバック制御時の微動手段５の変位量は、直流信号抽出手段１１により求めることが可能であり、その変位量を元に表示手段１０によって試料１の形状像が表示される。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
尖鋭化されたチップを先端に有するカンチレバーと、前記カンチレバーを振動させるカンチレバー振動手段と、前記カンチレバー先端部と測定対象となる試料との相対距離を微調整可能なＺ方向微動手段と、前記カンチレバー先端部の変位を検出するカンチレバー変位検出手段を有し、前記カンチレバー変位検出手段の出力信号に従ってＺ方向微動手段の変位を調節しながら試料表面に沿って走査することで、試料の特性を測定する走査型プローブ顕微鏡において、
前記カンチレバー変位検出手段の出力信号から交流信号および直流信号をそれぞれ抽出するための交流信号抽出手段および直流信号抽出手段と、
前記交流信号から前記カンチレバーと前記試料間の距離を制御するための信号を生成する制御信号生成手段を有し、
前記制御信号生成手段の出力信号を元に前記Ｚ方向微動手段により前記カンチレバーと前記試料間の距離を調節するとともに、前記直流信号抽出手段から得られた直流信号の変化から前記Ｚ方向微動手段の変位量を求めることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記カンチレバー変位検出手段が、レーザー光を発する光源と、前記カンチレバー上で反射されたレーザー光を検出するための光検出手段とを有し、前記光検出手段により前記カンチレバー先端の変位を検出することを特徴とする請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】
前記カンチレバー変位検出手段が、レーザー光を発する光源と、光検出器と、前記カンチレバー上から反射されたレーザー光を光検出器へ導く光路調節手段を有し、前記光路調節手段が前記Ｚ方向微動手段により前記カンチレバーとともに駆動可能な構造となっていることを特徴とする請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】
前記交流信号抽出手段が、コンデンサであることを特徴とする請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
前記交流信号抽出手段が、前記カンチレバー振動手段で駆動される周波数以下の遮断周波数を持つハイパスフィルター回路であることを特徴とする請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
前記直流信号抽出手段が、前記カンチレバー振動手段で駆動される周波数以下の遮断周波数を持つローパスフィルター回路であること特徴とする請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項７】
前記Ｚ方向微動手段が、圧電素子であることを特徴とする請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項８】
前記Ｚ方向微動手段が、磁歪素子であることを特徴とする請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、走査型原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、およびそれに類する走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、微小な試料の表面形状を観察する手段として、走査型原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）が広く用いられている。ＡＦＭは、プローブと試料表面に働く原子間力を、先端に微小なチップを形成したカンチレバーによって検出することにより、試料表面の形状を観察するものであり、その特徴は、サブナノメートルオーダーという高い分解能にある。また、ＡＦＭにその他様々な機能を付加することによって、形状以外の情報の同時測定が可能な走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）も開発されている。代表的なものとしては、カンチレバーに磁性体を用いた磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）、光導波路プローブを用いた走査型近視野顕微鏡（ＳＮＯＭ）などが挙げられる。
【０００３】
ここで、従来のＡＦＭの原理について、例えば特許―２７３２７７１号公報を用いて説明する。図６はその構成を示した模式図である。カンチレバー２は、カンチレバー台３、カンチレバー振動手段４を介してＸＹＺそれぞれの方向に微小駆動可能な微動手段５に取り付けられている。ここで、ＸＹ方向は、試料１表面に沿った方向を、Ｚ方向とは試料１表面に対して垂直な方向を表す。カンチレバー振動手段４により、カンチレバー２をＺ方向に振動させながら、試料１表面と近接させると、原子間力の影響により、カンチレバー２と試料１間の距離に応じて、カンチレバー２の振動振幅や周波数、位相が変化する。その変化をカンチレバー２先端の変位として検出するため、カンチレバー変位検出手段６を用いる。カンチレバー変位検出手段６として、一般的に光テコと呼ばれる、レーザー光源、および２分割（あるいは４分割）フォトダイオードなどの光検出器と、およびミラー等の光学部品を組み合わせた方式が用いられる。図７がその構成図である。光源２０から発振されたレーザー光２１は、ミラー等の光路調節手段２２を介してカンチレバー２上で反射された後、光検出器２３にて検出される。カンチレバー２上の反射面の傾きが変化すると、光検出器２３上でのレーザー位置も変わるため、光検出器２３の出力信号により、カンチレバー２の変位を検出することが可能となる。また、カンチレバー２の傾き変化のみでなく、その高さの変化によっても、光検出器２３上のレーザー光の照射位置が変化することも容易に推測できる。つまり、図６のカンチレバー側に微動手段を有する構成では、カンチレバーの傾きと位置の情報が混在した信号が、光検出器２３から出力される。しかし、ここで、カンチレバー２と試料１間の相互作用は、カンチレバーの振動振幅等の交流信号から求められるため、図６では、交流信号抽出手段７によって、交流信号のみを抽出する。この交流信号の振幅値などを、制御信号生成手段８により求め直流信号として出力する。制御手段９は、制御信号抽出手段８の出力信号が一定の値となるように、つまりカンチレバー２先端と試料１間の距離が一定となるように、微動手段５の変位をフィードバック制御する。この状態で、ＸＹ方向に走査し、微動手段５のＺ方向の変位量を、表示手段１０で記録すれば、試料の表面形状像を得ることが可能となる。ここで、微動手段５の変位量は、その駆動信号である制御手段９の出力信号が用いられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ＳＰＭは、その高い分解能から、今後ますます微細化、高集積化が進む、光ディスクなどの記録媒体や、半導体パターンなどの検査・計測装置としての応用が期待されている。しかし、検査・計測装置として使用するためには、精度向上が必要である。
【０００５】
従来例で挙げた微動手段には、通常圧電素子が用いられる。圧電素子は、微小位置決めを行う手段として非常に有効であるが、その動作にはヒステリシスが存在することが知られている。図８は、圧電素子のヒステリシス特性を模式的に示したものである。横軸１２０が圧電素子に印加する電圧、縦軸１２１が変位量を示す。ここで、圧電素子に印加する電圧をｖ１からｖ２に上げ、またｖ１に戻した場合、図８で示すような、非線形なヒステリシス曲線１２２が得られる。従来の例で示したように、ＡＦＭをはじめとするＳＰＭでは、圧電素子に印加する駆動信号を形状情報とするため、このヒステリシス特性により誤差が生じる。次にそのＳＰＭにおける走査時のヒステリシスの影響を、図９を用いて説明する。図９（ａ）では、左右対称な凸構造をもつ試料１３２の上を、圧電素子１３０に固定したプローブ１３１（図の簡略化のため、カンチレバーを針状のプローブとして示している）と試料１３２表面との距離が一定となるようにフィードバック制御しながら、紙面向かって左から右に走査する例を示している。また、図９（ｂ）は、その際の圧電素子１３０への印加電圧波形である。縦軸１３３が入力電圧、横軸１３４が時間を表している。フィードバック制御が正常に機能していれば、図９（ａ）に図示されているように、圧電素子１３０の変位量も左右対称となるはずである。しかし、その際の印加電圧は、図９（ｂ）で示したように、試料１３２の高さが変化する部分で、非線形性が現れ、左右対称な電圧変化とならない。従来のＳＰＭでは、この印加電圧の変化を形状情報とするため、精度の面で問題となる。
【０００６】
圧電素子のヒステリシスを補正する手段としては、変位センサで圧電素子の変位量を測定し、補正するという手段が最も一般的であり、例えば特開２００２−１０７２８３号公報に開示されている。図１０は、静電容量型変位センサを用いた、ＳＰＭ走査機構の構成例である。（ａ）が上面図、（ｂ）が側面図である。先端部をＸＹＺ方向に駆動可能な円筒型圧電素子１４０により、カンチレバー台１４１に固定されたカンチレバー１４２を３次元的に駆動するが、円筒型圧電素子１４０の先端には、静電容量型変位センサのターゲット電極１４３を備えている。また、ターゲット電極１４３と対向するように、Ｘ，Ｙ，Ｚそれぞれの方向に対して、静電容量型変位センサ１４４が配置されている。この構成により、Ｘ，Ｙ，Ｚそれぞれの変位量を正確に測定できるため、ヒステリシスの影響を補正することが可能となる。この手法の問題として、ＳＰＭで用いる際に求められるサブナノメートルの分解能、精度を有する変位センサは非常に高価である点、さらに構成が複雑となる点も挙げられる。
【０００７】
そこで、本発明では、安価で容易に達成可能な高精度ＳＰＭを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するため、尖鋭化されたチップを先端に有するカンチレバーと、カンチレバーを振動させるカンチレバー振動手段と、カンチレバー先端部と測定対象となる試料との相対距離を微調整可能なＺ方向微動手段と、試料との物理的相互作用によるカンチレバー先端部の変位を検出するカンチレバー変位検出手段を有し、カンチレバー変位検出手段の出力信号に従ってＺ方向微動手段の変位を調節しながら試料表面に沿って走査することで、試料の特性を測定する走査型プローブ顕微鏡において、カンチレバー変位検出手段の出力信号から交流信号および直流信号をそれぞれ抽出するための交流信号抽出手段および直流信号抽出手段と、交流信号からカンチレバーと試料間の距離を制御するための信号を生成する制御信号生成手段を有し、制御信号生成手段の出力信号を元にＺ方向微動手段によりカンチレバーと前記試料間の距離を調節するとともに、直流信号抽出手段から得られた直流信号の変化からＺ方向微動手段の変位量を求めることを特徴とする。
【０００９】
さらに以上のカンチレバー変位検出手段が、レーザー光を発する光源と、カンチレバー上で反射されたレーザー光を検出するための光検出手段とを有し、光検出手段によりカンチレバー先端の変位の検出をすることを特徴とする。
【００１０】
また同じく以上のカンチレバー変位検出手段が、レーザー光を発する光源と、光検出器と、カンチレバー上から反射されたレーザー光を光検出器へ導く光路調節手段を有し、光路調節手段がＺ方向微動手段によりカンチレバーとともに駆動可能な構造となっていることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
本発明における第１の実施の形態を、図１に示した走査型プローブ顕微鏡の構成ブロック図に基づいて説明する。測定対象となる試料１上に、カンチレバー２がカンチレバー台３、カンチレバー振動手段４を介して微動手段５に取り付けられている。カンチレバー振動手段４は、カンチレバー２を試料１表面に対して垂直方向に振動させるためのものであり、バイモルフ型の圧電振動子などが用いられる。また、微動手段５には、先に述べたように、圧電素子が利用可能である。あるいは、コイル等を用いて発生させた磁束により駆動される磁歪素子なども利用可能であるが、どちらの素子もヒステリシスが大きいため、高精度な測定時にはその誤差に注意が必要となる。
【００１２】
カンチレバー変位検出手段６は、前述の光テコや、光干渉計等も利用可能であるが、構造の簡便さなどの面で、光テコが最も多く利用されている。このカンチレバー変位検出手段６の出力信号から、交流信号抽出手段７により、交流成分のみを抽出する。この交流信号抽出手段７には、コンデンサや、遮断周波数をカンチレバーの駆動周波数以下に設定したハイパスフィルター回路等が利用できる。抽出した交流信号は、制御信号生成手段８により、フィードバック制御用の直流信号に変換される。この場合、交流信号の振幅、位相あるいは周波数を直流信号に変換することになる。この後、ＰＩＤ制御回路などの一般的な制御回路からなる制御手段９により、フィードバック制御信号が生成され、微動手段５に印加されることになる。
【００１３】
ここまでは、従来例の図６の同じ構成であるが、本実施の形態では、カンチレバー変位検出手段６の出力部に、ローパスフィルター回路等を用いた直流信号抽出手段１１を設け、その信号を表示手段１０に送り、試料１の形状像を表示する構成となっている。この原理について、図２に従って説明する。図２は全体の動作および各部の信号変化について示したものである。図２（ａ）は、段差のある試料１表面を、上下に振動させたカンチレバー２で、紙面向かって左から右に走査した際の一連の動作を示している。なお、図２では、カンチレバー変位検出手段として、光テコを用いた例を示しており、カンチレバー２上方からレーザー光２１が入射され、その反射光を右側の光検出器２３により検出する。
【００１４】
図２（ｂ）がその際の光検出器の出力信号４０、図２（ｃ）が交流信号抽出手段の出力信号４１、図２（ｄ）が直流信号抽出手段の出力信号４２、図２（ｅ）が制御信号生成手段８により求められた振幅信号４３、図２（ｆ）が微動手段５に印加する制御手段の出力信号４４を表している。まず、カンチレバー２が左側に位置する場合には、カンチレバー２と試料１との距離が一定となるようフィードバック制御されている。その後、カンチレバー２先端が試料１の段差部分にさしかかると、その高さ変化に伴い、カンチレバー２の振幅が小さくなる。そのため、制御信号生成手段の出力信号４２、制御手段の出力信号４３も小さくなり、フィードバック制御により微動手段５が収縮して、カンチレバー２の高さを上げる。最終的に、カンチレバー２の振幅が段差前の状態と同じになるように制御し、右側の状態とする。以上が一連のフィードバック制御ということになるが、従来はこの際のカンチレバー２の振幅信号のみを使用していた。
【００１５】
しかし、図２に示したように、微動手段５の変位量が変化すると、その直流信号４２も変化することが分かる。この直流信号４２の変化量が、微動手段５の変位量に即した値となることは明白である。つまり、直流信号抽出手段により得られた信号４２から、微動手段５の変位量を求めることが可能となる。従来例では微動手段５の駆動信号４４を、試料形状の測定結果としていた。しかし、課題として挙げたように、圧電素子などの非線形な動作が存在する微動手段５を用いる場合には、駆動信号４４と、試料１の形状には誤差が生じる。しかし、直流信号４２は、微動手段５の実際の動作を示しており、より誤差の少ない結果が得られることになる。なお、図２中では、フィードバック制御の流れを理解しやすいように、試料１の段差部分で振幅値が変化し始めてから微動手段５の高さ調節が終了するまでに若干の遅れがあることを想定しているが、十分に遅い速度で走査すれば、この遅れは無視できるほど小さくなる。
（実施の形態２）
従来の例で示した光テコは非常に単純な構造であったが、実際の装置構成の上でミラー等の素子を用いて光路を調節する手段が必要になることが多い。例えば、装置に限られたスペースしかなく、ミラー等を利用して光路を曲げる必要がある場合や、カンチレバー取り付け位置（角度）のずれ等が存在するため、光路の微調整にミラーを用いる場合などである。本発明における実施の形態２として、カンチレバーと光検出器の間にミラーを介する構成について、図３を用いて説明する。
【００１６】
図３では、光テコとそれに関連する部分しか示していないが、その他の構成は、実施の形態１と同じであるため省略している。図３では、光源２０から発せられたレーザー光２１がプリズム２２を介してカンチレバー２上面で反射され、その反射光がミラー架台３０に取り付けられたミラー３１を介して、光検出器２３に到達する構成となっている。この構成の最大の特徴は、ミラー３１が微動素子５の可動部分（下側）に取り付けられており、微動素子５の変位にかかわらず、ミラー３１とカンチレバー２が常に同じ位置関係になっている点である。ここで、この構成の効果について、図４、図５を用いて説明する。
【００１７】
図４は、カンチレバー５０と光検出器２３間のミラー３１が、微動手段５と独立した位置に固定された構成である。カンチレバー５０は、右端を支点として常に同じ振幅で微振動しており、さらにカンチレバー自体の位置が上下に動くものと想定し、上下２つの位置にカンチレバー５０ａ、５０ｂとして示している。これは、前述の図１あるいは図３の構成におけるカンチレバー２、カンチレバー振動手段４、微動手段５の動作を模式的に示したものである。入射光５１は、カンチレバー５０ａ、５０ｂの上方から固定位置から入射されており、反射光は、カンチレバー５０ａ、５０ｂの位置に応じて、それぞれ反射光５２ａ、反射光５２ｂとして示している。
【００１８】
また、この反射光が、左側に固定された光検出器２３表面に達した際の、それぞれの振幅をｈａ、ｈｂとすると、それぞれ異なる値となる（光検出器２３の下側にそれぞれの幅を比較するための図を示しているので、参照のこと）。つまり、微動手段５の変位量に依存して、光検出器２３出力の振幅値も変化してしまうことが分かる。ここで光検出器２３出力の振幅値が常に一定となるよう微動手段をフィードバック制御する場合を考える。カンチレバー５０ａ、５０ｂはいずれの高さにおいても同じ振幅で振動している、つまりカンチレバーと試料との物理的相互作用は一定に保たれている状態であるため、本来微動手段はそれぞれの位置を保持しなければならない。しかし制御信号となる光検出器２３の出力信号はそれぞれ異なるため、さらに微動素子を動かす結果となり、誤差となってしまうことが分かる。
【００１９】
一方、図５は、図３に示した実施の形態２の構成における動作を示している。入射光６１および光検出器２３は図４と同様に固定されているが、カンチレバー６０ａ、６０ｂの位置に応じて、ミラー６５ａ、６５ｂの位置も移動している。この場合には、それぞれの高さで光検出器２３上での反射光６２ａ、反射光６２ｂの幅ｈｃ、ｈｃは等しくなり、誤差なくフィードバック制御が可能となる。
【００２０】
【発明の効果】
本発明により、安価でかつ容易に構築可能な高精度ＳＰＭを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１にかかわる走査型プローブ顕微鏡の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかわる走査型プローブ顕微鏡の動作を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態２にかかわる走査型プローブ顕微鏡の構成を示すブロック図である。
【図４】ミラーを固定した場合の光テコ構成を示す模式図である。
【図５】ミラーを微動手段とともに動かした場合の光テコ構成を示す模式図である。
【図６】従来のＳＰＭの構成例を示す図である。
【図７】光テコの構成例を示す図である。
【図８】圧電素子のヒステリシス特性の模式図である。
【図９】ＳＰＭ走査時のヒステリシスの影響を示す模式図である。
【図１０】静電容量型変位センサを用いた、ＳＰＭ走査機構の構成例を示す図である。
【符号の説明】
１　試料
２　カンチレバー
３　カンチレバー台
４　カンチレバー振動手段
５　微動手段
６　カンチレバー変位検出手段
７　交流信号抽出手段
８　制御信号生成手段
９　制御手段
１０　表示手段
１１　直流信号抽出手段
２０　光源
２１　レーザー光
２２　プリズム
２３　光検出器
３０　ミラー架台
３１　ミラー
４０　カンチレバー変位検出手段出力信号
４１　交流信号抽出手段出力信号
４２　直流信号抽出手段主力信号
４３　制御信号生成手段出力信号
４４　制御手段出力信号
５０　カンチレバー
５１　入射光
５２　反射光
５５　ミラー
６０　カンチレバー
６１　入射光
６２　反射光
６５　ミラー
１２０　横軸
１２１　縦軸
１２２　ヒステリシス曲線
１３０　圧電素子
１３１　プローブ
１３２　試料
１３３　縦軸
１３４　横軸
１３５　印加電圧波形
１４０　円筒型圧電素子
１４１　カンチレバー台
１４２　カンチレバー
【図１】
2004069445.tif 000003
【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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