(57)【要約】【課題】従来の走査型プローブ顕微鏡のプローブ走査に用いられる駆動部の圧電素子は走査に伴うヒステリシスを有している。このヒステリシスの影響で電圧−変位特性が安定せず、微細表面形状の観察や計測で得られた測定値の信頼性が低くなっている。【解決手段】本発明は、測定の開始前に行う測定準備動作内で、同相で同電圧の印加電圧を印加して駆動部の圧電素子をＺ方向に伸縮させ、ヒステリシスに対する補正処理を行い、電圧-変位特性を安定させて、ヒステリシスによる変化の影響を無くす走査型プローブ顕微鏡及び及び圧電素子の準備動作方法である。【選択図】    図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プローブを備え、電圧印加による伸縮により該プローブを試料上に沿って直交するＸ，Ｙ軸方向でそれぞれに走査させる円筒形状の圧電素子を含み構成されるスキャナ部と、
前記スキャナ部を制御して、前記プローブを走査駆動させる駆動制御部と、
前記プローブの変位を検出し、該変位に基づくデータを生成する検出処理部と、
を具備し、
前記プローブによる測定開始前に、前記駆動制御部により前記圧電素子を前記Ｘ，Ｙ方向と直交する垂直方向に伸縮させて、前記圧電素子に残留するヒステリシスによる影響を無くすことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項２】
前記走査型プローブ顕微鏡において、
前記スキャナ部の前記圧電素子は、円筒形状の内周面上に共有電極と、外周面上に円筒中心を挟んで対となるＸ軸方向駆動用電極と、前記外周面上で前記Ｘ軸方向駆動用電極と直交する位置に円筒中心を挟んで対となるＹ軸方向駆動用電極とが配設され、
前記各駆動用電極に同時に同位相の電圧を印加することにより、前記垂直方向に伸縮させた後、各Ｘ，Ｙ軸方向駆動用電極の各対の一方の電極に半周期位相がずれるように印加す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】
円筒形状の圧電素子の内周面上に設けた１つの共通電極と、その外周面上に設けた対となる複数の駆動電極とで構成され、プローブを２次元的走査するためのスキャナ部を備える走査型プローブ顕微鏡の測定準備動作であって、
測定を開始する前に、前記スキャナ部の全電極に同時に同位相の電圧を印加した後、対となる各電極の片側に半周期の電圧を印加することにより、前記２次元的走査の方向と直交する方向に伸縮動作させることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡における圧電素子の準備動作方法。
【請求項４】
円筒形状の圧電素子の内周面上に設けた１つの共通電極と、その外周面上に設けた対となる複数の駆動電極とで構成され、プローブを２次元的走査するためのスキャナ部を備える走査型プローブ顕微鏡の測定準備動作であって、
測定を開始する前に、前記スキャナ部の全電極に同時に同位相の電圧を印加した後、対となる各電極の片側に半周期の電圧を印加することにより、前記２次元的走査の方向と直交する方向に伸縮動作させて、該伸縮動作の終了時を前記圧電素子が伸縮範囲の最大の伸び状態から、対となる各電極の片側が設けらた圧電素子部分のみを最小の伸びに変化させた状態とすることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡における圧電素子の準備動作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査型プローブ顕微鏡及び、測定開始時に走査用スキャナ部を構成する圧電素子の準備動作方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、先端を尖らせた探針が設けられたカンチレバーで試料の表面上を走査して、探針の先端と試料との間に働く近距離の相互作用を検出することにより、その表面の形状や性質などの情報を得る走査型プローブ顕微鏡が知られている。
【０００３】
このような走査型プローブ顕微鏡においては、カンチレバーを試料表面に対して相対的に移動させるためにスキャナ部が設けられている。そのスキャナ部の走査駆動部の１つとして圧電素子が用いられている。
【０００４】
このスキャナ部は、測定する試料の表面に沿って２次元的にカンチレバーを走査させるためのＸＹスキャナ部と、試料の表面と直交する方向に移動させるＺスキャナ部とで構成されている。
【０００５】
これらのスキャナ部のうち、ＸＹスキャナ部は、例えば、円筒 （チューブ）形状の圧電素子によりスキャナ本体が形成され、その内周面に共通電極が設けられ、外周面には円筒中心を挟んで対向する２対の駆動電極が配設されている。これらの２対の駆動電極は、Ｘ，Ｙ方向にそれぞれ変形させるために、直交する位置に配置される。
【特許文献１】特開平１１−２６４８３３号公報
【特許文献２】特開平６−２４９６１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述した圧電素子を駆動部として用いて、圧電素子へ電圧を印加すると内部応力に変化が生じて変形する。一般に圧電素子は、走査に伴いヒステリシス特性を有している。従って、起動するために電圧印加した後、一定時間をおいてから走査を行い測定する場合又は、大きく走査範囲を変更した後の測定を行う場合には、ヒステリシスの影響で電圧−変位特性が安定しない為、直ちに測定を開始すると、得られた測定値が信頼性の低いものとなってしまう可能性が高い。特に、微細表面形状の観察や計測に対しては、ヒステリシスの影響を除去することが重要である。
【０００７】
これらのヒステリシスに起因する問題を解決するものとして、特許文献１には、変位計を設けて実際の動きから近似式を算出し、この近似式に基づき走査電圧を制御することにより、ヒステリシスの影響を軽減する技術が開示されている。他にも、特許文献２においては、ヒステリシスの影響を軽減するために、測定領域をダミースキャンする技術が開示されている。
【０００８】
これらのうち、特許文献１では変位計を設けなければならず、新しく別な機構や複雑な演算処理等が必要となり、製造コストを高くする問題がある。また、特許文献２は、ダミースキャンが必要であるため、測定に際して、Ｘ，Ｙ方向にそれぞれ余計に走査しなければならない手間が生じる。
【０００９】
そこで本発明は、新たな構成部位が不要であり、短時間で測定準備ができ、さらにＸＹ走査用チューブスキャナのヒステリシスによる影響を確実に除去をする走査型プローブ顕微鏡及び圧電素子の準備動作方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は上記目的を達成するために、プローブを備え、電圧印加による伸縮により該プローブを試料上に沿って直交するＸ，Ｙ軸方向でそれぞれに走査させる円筒形状の圧電素子を含み構成されるスキャナ部と、前記スキャナ部を制御して、前記プローブを走査駆動させる駆動制御部と、前記プローブの変位を検出し、該変位に基づくデータを生成する検出処理部とを具備し、前記プローブによる測定開始前に、前記駆動制御部により前記圧電素子を前記Ｘ，Ｙ方向と直交する垂直方向に伸縮させて、前記圧電素子に残留するヒステリシスによる影響を無くす走査型プローブ顕微鏡を提供する。
【００１１】
さらに、円筒形状の圧電素子の内周面上に設けた１つの共通電極と、その外周面上に設けた対となる複数の駆動電極とで構成され、プローブを２次元的走査するためのスキャナ部を備える走査型プローブ顕微鏡の測定準備動作であって、測定を開始する前に、前記スキャナ部の全電極に同時に同位相の電圧を印加した後、対となる各電極の片側に半周期の電圧を印加することにより、前記２次元的走査の方向と直交する方向に伸縮動作させて、該伸縮動作の終了時を前記圧電素子が伸縮範囲の最大の伸び状態から、対となる各電極の片側が設けらた圧電素子部分のみを最小の伸びに変化させた状態とすることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡における圧電素子の準備動作方法を提供する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、新たな構成部位が不要であり、短時間で測定準備ができ、さらにＸＹ走査用チューブスキャナのヒステリシスによる影響を確実に除去をする走査型プローブ顕微鏡装置及び準備動作方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。  
図１には、本発明の走査型プローブ顕微鏡装置に係る第１の実施形態の概念的な構成例を示して説明する。尚、図１においては、本発明の要旨に必要な構成部位のみを示しており、図示していない通常に備えている構成部位は備えているものとしている。また以下の説明において、Ｘ，Ｙ軸方向は、試料表面と平行な２次元的方向を示し、Ｚ軸方向は試料表面と直交する垂直方向を示している。
【００１４】
本実施形態は、測定を開始するに当たって行う準備動作内でヒステリシス状態による変位の影響を無くす方法として、円形状の圧電素子からなるスキャナ本体に対してＺ方向の伸縮動作を行い、電圧-変位特性を安定させて、ヒステリシスの影響を無くするものである。
【００１５】
この走査型プローブ顕微鏡装置１は、試料２を載置するステージ３と、ホルダ４に片持ち支持され先端に探針（プローブ）５ａが設けられたカンチレバー５と、カンチレバー５の背面側にレーザ光を照射する光源となるレーザーダイオード（ＬＤ）６と、カンチレバー５の背面で反射された反射レーザ光を受光する光検出器となる分割型フォトダイオード（ＰＤ）７と、ホルダ４及びＬＤ６及びＰＤ７を一体的に保持し走査移動させるためのＸＹスキャナ部８及びＺスキャナ部９からなるチューブスキャナ部１０と、ＸＹスキャナ部８におけるＸＹ駆動制御とＺスキャナ部９におけるＺ駆動制御とカンチレバーの変位信号（角度変化に基づく信号）に基づく後述するデータを生成する駆動制御部１１と、顕微鏡装置１における各種設定とデータ処理を行い、前記データから画像データを生成する、例えばパーソナルコンピュータからなる演算処理制御部１２と、画像データによる画像を表示するモニタ部１３とで構成される。
【００１６】
このように構成された走査型プローブ顕微鏡装置１は、駆動制御部１１からの制御信号によりＸＹスキャナ部８及びＺスキャナ部９の駆動方向を制御し、ホルダ４に支持されるカンチレバー５の先端部をステージ３上に載置される試料２の表面を走査する。
【００１７】
このとき、試料２の表面の起伏状態等によりカンチレバー５にたわみが生じる。カンチレバー５の背面側へＬＤ６からレーザ光が照射され、その背面側で反射された反射レーザ光が分割ＰＤ７へ入射する。このカンチレバー５からの反射レーザ光は、たわみに応じて微小な角度変化を起こし、ＰＤ７は受光した反射レーザ光に対して光電変換を行い、角度変化に応じた変位信号を生成し、駆動制御部１１へ送出する。駆動制御部１１では、変位信号に基づき、カンチレバー５の状態（試料２と探針５ａの位置）が一定になるようにサーボをかけ、このサーボ量を前記データとして演算処理制御部１２へ送出する。演算処理制御部１２は、このデータを画像化して、数値を含む画像としてモニタ部１３で表示する。
【００１８】
このチューブスキャナ部１０のうち、ＸＹスキャナ部８は、図２（ａ），（ｂ）に示すように、円筒 （チューブ）形状の圧電素子からなるスキャナ本体２１と、その内周面に設けられた共通電極２２と、外周面に設けられる４つの駆動電極２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂとで構成される。これらの駆動電極２３ａ（Ｘ+），２３ｂ（Ｘ-）及び駆動電極２４ａ（Ｙ+），２４ｂ（Ｙ-）は、それぞれに中心Ｏを挟んで対向する位置に対として配置される。
【００１９】
図３（ａ）〜（ｄ）は、これらの駆動電極２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂへ印加される駆動電圧（走査駆動信号）の波形を示している。駆動制御部１１から出力された各制御信号に基づき、図示しない増幅回路により生成された走査駆動信号が各駆動電極２３ａ，２３ｂ，２４ａ，２４ｂにそれぞれ供給される。図３（ａ）〜（ｄ）に示すように、対となる駆動電極の一方に正、他方に負の電圧を印加する。この例では、駆動電極２３ａ，２４ａへ正の電圧を印加し、駆動電極２３ｂ，２４ｂへ負の電圧を印加する。このような駆動電圧の印加により、ＸＹスキャナ部８の一方が伸長し、他方が縮小して走査範囲の変位を得ている。
【００２０】
課題の項で前述したように、ＸＹスキャナ部８における駆動電極２３ａ，２３ｂにより駆動するスキャナ部は、走査に伴い例えば、図５（ａ）に示すようなヒステリシス特性を有している。
【００２１】
そこで、以下に説明するように本実施形態では、測定前にヒステリシスの影響を無くすための測定準備動作を行う。  
図４（ａ）〜（ｄ）に示すように、各駆動電極２３ａ（Ｘ+），２３ｂ（Ｘ-），２４ａ（Ｙ+），２４ｂ（Ｙ-）に対して、同相で同電位の波形を持つ印加電圧を印加する。これらの電圧の印加に伴い、各駆動電極が圧電素子からなるスキャナ本体２１を同時に伸縮させることとなり、ＸＹスキャナ部８は、Ｚ方向に伸縮する。尚、このヒステリシス状態を変更させるための印加電圧については、同相であり、圧電素子が駆動する範囲であれば、特に周波数は限定されない。
【００２２】
この補正処理のために、各駆動電極に印加する電圧値は、走査範囲により予め定められた設定電圧値を用いる。他にも、実際の測定に使用する印加電圧を用いて、駆動電極の一方側、例えば、駆動電極２３ｂ（Ｘ-），２４ｂ（Ｙ-）へ印加する電圧の位相を反転させて、他方の印加電圧と同相にそろえた電圧を利用してもよい。これらの時の電圧印加時におけるスキャナ本体２１の伸縮速度は、所望する伸縮速度になる周波数、又は実際に測定に用いる印加電圧の周波数による伸縮速度でもよい。
【００２３】
このようなヒステリシスの補正処理を実施するタイミングは、測定の準備動作内のタイミング、走査範囲の変更後のタイミング、試料に探針を近づけているアプローチのタイミング、又は他の構成部位の動作と並列するタイミング等が考えられ、これに限定されず、操作者が所望するタイミングであってもよい。この時の補正処理の実行指示は、プログラムにより該当する動作が行われた後に自動的に開始されてもよいし、モード等を設定しておき、画面表示されたボタンを操作者が押す等の指示でもよい。尚、測定開始に行われる準備動作は、任意に決めた時間としてもよいし、アプローチの間等、他の動作と並列に行うようにしても良く、任意の印加電圧波形を決め、それが終了するまでとしてもよい。
【００２４】
以上説明したように、本実施形態によれば測定を実施するに当たって、ヒステリシスに対する測定準備動作を行うことにより、短時間に電圧-変位特性を安定させ、ヒステリシスの影響を軽減することができる。その結果、大きく走査範囲を変更した場合であっても、変位特性の安定した状態において測定を実施することができる。さらに、本実施形態の補正処理を実施するための新たな構成部位を追加することなく、既存の構成部位を用いて実現でき、装置の製造コストに影響を与えることがない。
【００２５】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。  
図５乃至図９を参照して、第２の実施形態の走査型プローブ顕微鏡装置における準備動作時に行うヒステリシスの補正処理について説明する。尚、本実施形態の構成は、前述した第１の実施形態と同等の部材を用いて同様に構成されており、補正処理の作用が異なるため、ここでは同じ参照符号を付して構成についての説明を省略する。
【００２６】
課題の項で前述したように、ＸＹスキャナ部８における駆動電極２３ａ，２３ｂにより駆動されるスキャナ部は、走査に伴い例えば、図５（ａ），（ｂ）に示すようなヒステリシス特性を有している。
【００２７】
この例では、駆動電極２３ａ（Ｘ+），２３ｂ（Ｘ-）へそれぞれ図６（ａ），（ｂ）に示す印加電圧を印加した後、０Ｖに戻すと、ヒステリシスの変位は、図５（ａ），（ｂ）に示す位置Ａ，Ｂへそれぞれ移動する。
【００２８】
しかし、実際の測定のために走査する場合、図７（ａ），（ｂ）に示すように、駆動電極２３ａ（Ｘ+）が変位Ａ［減少方向］側であり、駆動電極２３ｂ（Ｘ-）が変位Ｃ［増加方向］側でなければならない。従って、図５（ａ），（ｂ）に示したような変位Ａ，Ｂでは使用できず、駆動電極２３ｂ（Ｘ-）は、印加電圧を０Ｖとした場合、ヒステリシスの変位値が位置Ｃ側でなければ、適切な電圧−変位特性は得られないということになる。
【００２９】
図８（ａ），（ｂ）及び図９（ａ），（ｂ）には、本実施形態におけるスキャナ本体のヒステリシスの変位特性と、印加電圧特性を示している。ここでは、駆動電極（２３ａ（Ｘ+），２３ｂ（Ｘ-））に対する補正処理を例として説明する。勿論、駆動電極（２４ａ（Ｙ+），２４ｂ（Ｙ-））についても全く同様である。
【００３０】
圧電素子からなるスキャナ本体２１に対して、まず、対となる駆動電極（２３ａ（Ｘ+），２３ｂ（Ｘ-））の両方に正の最大印加電圧を印加して、図８（ａ），（ｂ）に示すように伸縮変位を最大伸び状態とした後、一方の駆動電極２３ａ（Ｘ+）は最大印加電圧のまま維持し、他方の駆動電極（２３ｂ（Ｘ-））にのみ負の駆動電圧を印加して最小伸び状態とした後、それぞれ印加電圧を０Ｖに戻して補正処理を完了させる。
【００３１】
このように対の両方の駆動電極に伸縮範囲内の最大電圧を印加した状態から、一方の駆動電極のみを最小電圧へ変化させる。このような印加電圧の変更により、駆動電極（２３ａ（Ｘ+））は、図８（ａ）に示すように、ヒステリシスの変位は位置Ａとなり、駆動電極（２３ｂ（Ｘ-））は、図８（ｂ）に示すように位置Ｃへ移動する。
【００３２】
従って、走査開始時には、それぞれの駆動電極の使用する変位特性となり、より安定した電圧-変位特性が得られ、ヒステリシスの影響を軽減した測定を行うことができる。
【００３３】
尚、反対に、最小伸びの状態から片側を最大伸びへ変化させることでも同様の効果が得られる。この補正処理を行った直後から、即ち変位特性が変わらない状態から、測定用の走査を開始すれば、安定した変位を得ることができる。但し、例えば一度、０Ｖへ移行して、中央から走査をはじめるような場合は、走査開始直後に伸びる側は準備動作終了時に縮んだ状態であり、また、縮む側は準備動作終了時に伸びた状態であればよい。
【００３４】
以上説明したように本実施形態によれば、第１の実施形態で得られる効果に加えて、電圧-変位特性を通常よりも早く安定化することができ、且つ信頼性のある測定値を短時間で得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の走査型プローブ顕微鏡装置に係る第１の実施形態の概念的な構成例を示す図である。
【図２】第１の実施形態におけるＸＹスキャナ部の構成例を示す図である。
【図３】第１の実施形態におけるＸＹスキャナ部の駆動電極へ印加される駆動電圧の波形を示す図である。
【図４】第１の実施形態における補正処理を行うための各駆動電極に対して印加する印加電圧の波形を示す図である。
【図５】第２の実施形態における電圧-変位特性を示す図である。
【図６】駆動電極印加する印加電圧の一例を示す図である。
【図７】第２の実施形態における駆動電極のヒステリシスの変位位置を示す図である。
【図８】第２の実施形態におけるスキャナ本体の補正処理が行われた駆動電極のヒステリシスの変位位置を示す図である。
【図９】第２の実施形態における補正処理を行うための各駆動電極に対して印加する印加電圧の波形を示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１…走査型プローブ顕微鏡装置、２…試料、３…ステージ、４…ホルダ、５…カンチレバー、５ａ…探針、６…レーザーダイオード（ＬＤ）、７…分割型フォトダイオード（ＰＤ）、８…ＸＹスキャナ部、９…Ｚスキャナ部、１０…チューブスキャナ部、１１…駆動制御部、１２…演算処理制御部（コンピュータ）、１３…モニタ部。
【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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