JP3406236B2 - 走査プローブ顕微鏡の測定方法および装置 - Google Patents
走査プローブ顕微鏡の測定方法および装置Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は走査プローブ顕微
鏡を用いた試料の表面形状の測定方法およびそのための
装置に関し、特に試料を振動させて試料の表面形状を測
定するようにした走査プローブ顕微鏡の測定方法および
装置に関する。
鏡を用いた試料の表面形状の測定方法およびそのための
装置に関し、特に試料を振動させて試料の表面形状を測
定するようにした走査プローブ顕微鏡の測定方法および
装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】走査プローブ顕微鏡を用いて試料の表面
形状を測定するための従来の測定方法として、カンチレ
バーを共振振動させて試料表面を軽く叩き、該叩き具合
が一定になるようにサーボ系でカンチレバーのＺ方向の
位置（試料とカンチレバーとの間の距離）をフィードバ
ック制御することにより、試料表面の形状データを得る
ようにする測定方法が知られている。この方法は、一般
に、タッピングモード（tapping mode) と呼ばれてい
る。
形状を測定するための従来の測定方法として、カンチレ
バーを共振振動させて試料表面を軽く叩き、該叩き具合
が一定になるようにサーボ系でカンチレバーのＺ方向の
位置（試料とカンチレバーとの間の距離）をフィードバ
ック制御することにより、試料表面の形状データを得る
ようにする測定方法が知られている。この方法は、一般
に、タッピングモード（tapping mode) と呼ばれてい
る。
【０００３】この測定方法によれば、カンチレバーの共
振振動のＱ値が、共振周波数ｆ0 において、１００〜３
００程度になり、小振幅出力の発振器で該カンチレバー
を振動させても大振幅の振動を得ることができるという
メリットを有している。
振振動のＱ値が、共振周波数ｆ0 において、１００〜３
００程度になり、小振幅出力の発振器で該カンチレバー
を振動させても大振幅の振動を得ることができるという
メリットを有している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記し
た従来の測定方法では、カンチレバー毎にその共振周波
数ｆ0 と共振振動のＱ値が変わり、カンチレバーを交換
すると、試料表面の測定を開始するまでの調整に時間を
要すると共に、該調整に経験を必要とする問題があっ
た。特に、Ｑ値が変わると、カンチレバーの振動の振幅
が変わるため、カンチレバーの針先が試料表面を軽く叩
く位置までカンチレバーをＺ粗動するのが難しいという
問題があった。また、該Ｚ粗動を浅くした場合と深くし
た場合では、針先の試料表面への押付け圧力が変わるこ
とになるが、該押付け圧力が変わると、該試料表面の検
出データが変化し、同じ試料の観察像に変化が生じてし
まうという問題もあった。
た従来の測定方法では、カンチレバー毎にその共振周波
数ｆ0 と共振振動のＱ値が変わり、カンチレバーを交換
すると、試料表面の測定を開始するまでの調整に時間を
要すると共に、該調整に経験を必要とする問題があっ
た。特に、Ｑ値が変わると、カンチレバーの振動の振幅
が変わるため、カンチレバーの針先が試料表面を軽く叩
く位置までカンチレバーをＺ粗動するのが難しいという
問題があった。また、該Ｚ粗動を浅くした場合と深くし
た場合では、針先の試料表面への押付け圧力が変わるこ
とになるが、該押付け圧力が変わると、該試料表面の検
出データが変化し、同じ試料の観察像に変化が生じてし
まうという問題もあった。
【０００５】この発明の目的は、前記した従来技術の問
題点を除去し、カンチレバーの針先が試料表面を叩く圧
力を、カンチレバーを変えても常に一定となるように、
容易に初期設定できる走査プローブ顕微鏡の測定方法お
よび装置を提供することにある。
題点を除去し、カンチレバーの針先が試料表面を叩く圧
力を、カンチレバーを変えても常に一定となるように、
容易に初期設定できる走査プローブ顕微鏡の測定方法お
よび装置を提供することにある。
【０００６】また、他の目的は、カンチレバーを変えて
も、変化のない、安定した試料表面の検出データを得る
ことのできる走査プローブ顕微鏡の測定方法および装置
を提供することにある。
も、変化のない、安定した試料表面の検出データを得る
ことのできる走査プローブ顕微鏡の測定方法および装置
を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】前記した目的を達成する
ため、本発明は、試料の表面にカンチレバーをあてて該
試料の表面の形状を測定する走査プローブ顕微鏡の測定
方法において、カンチレバーおよび試料の各固有の共振
周波数の影響が実質的にない周波数で試料を振動させた
状態で、カンチレバーを試料表面に軽く接触しながら試
料表面の形状を測定するようにしたものである。
ため、本発明は、試料の表面にカンチレバーをあてて該
試料の表面の形状を測定する走査プローブ顕微鏡の測定
方法において、カンチレバーおよび試料の各固有の共振
周波数の影響が実質的にない周波数で試料を振動させた
状態で、カンチレバーを試料表面に軽く接触しながら試
料表面の形状を測定するようにしたものである。
【０００８】試料の振動周波数は、カンチレバーと試料
とを接触させることによりシフトしたカンチレバーの新
たな共振周波数とすることもできる。また、試料の振動
周波数は、カンチレバーと試料とを接触させることによ
り生じる共振周波数とすることもできる。
とを接触させることによりシフトしたカンチレバーの新
たな共振周波数とすることもできる。また、試料の振動
周波数は、カンチレバーと試料とを接触させることによ
り生じる共振周波数とすることもできる。
【０００９】また、本発明によれば、試料の表面を測定
する走査プローブ顕微鏡において、カンチレバーおよび
試料の各固有の共振周波数の影響が実質的にない周波数
の電気信号を出力しうる発振器と、前記カンチレバーの
上下動をフィードバック制御するＺサーボ系と、該発振
器の出力信号とＺサーボ系の出力信号とに応答し前記試
料をカンチレバーおよび試料の各固有の共振周波数の影
響が実質的にない周波数で振動させる加振装置とを具備
し、前記Ｚサーボ系は前記カンチレバーの試料に対する
接触圧が所定の大きさになったところで平衡を保つよう
にした構成が提案される。
する走査プローブ顕微鏡において、カンチレバーおよび
試料の各固有の共振周波数の影響が実質的にない周波数
の電気信号を出力しうる発振器と、前記カンチレバーの
上下動をフィードバック制御するＺサーボ系と、該発振
器の出力信号とＺサーボ系の出力信号とに応答し前記試
料をカンチレバーおよび試料の各固有の共振周波数の影
響が実質的にない周波数で振動させる加振装置とを具備
し、前記Ｚサーボ系は前記カンチレバーの試料に対する
接触圧が所定の大きさになったところで平衡を保つよう
にした構成が提案される。
【００１０】さらに、本発明による走査プローブ顕微鏡
は、上記構成において、前記試料をカンチレバーと試料
とを接触させることにより生じる共振周波数で振動させ
るようにすることもできる。
は、上記構成において、前記試料をカンチレバーと試料
とを接触させることにより生じる共振周波数で振動させ
るようにすることもできる。
【００１１】また、本発明によれば、試料の表面にカン
チレバーをあてて該試料の表面の形状を測定する走査プ
ローブ顕微鏡において、カンチレバーと試料とを接触さ
せることによりシフトしたカンチレバーの新たな共振周
波数の電気信号を出力しうる発振器と、前記カンチレバ
ーの上下動をフィードバック制御するＺサーボ系と、前
記発振器の出力信号とＺサーボ系の出力信号とに応答し
前記試料を前記新たな共振周波数で振動させる加振装置
とを具備し、前記Ｚサーボ系は前記カンチレバーの試料
に対する接触圧が所定の大きさになったところで平衡を
保つようにした構成が提案される。
チレバーをあてて該試料の表面の形状を測定する走査プ
ローブ顕微鏡において、カンチレバーと試料とを接触さ
せることによりシフトしたカンチレバーの新たな共振周
波数の電気信号を出力しうる発振器と、前記カンチレバ
ーの上下動をフィードバック制御するＺサーボ系と、前
記発振器の出力信号とＺサーボ系の出力信号とに応答し
前記試料を前記新たな共振周波数で振動させる加振装置
とを具備し、前記Ｚサーボ系は前記カンチレバーの試料
に対する接触圧が所定の大きさになったところで平衡を
保つようにした構成が提案される。
【００１２】本発明の方法によれば、カンチレバーおよ
び試料の各固有の共振周波数を避けて試料を振動させる
ようにしているので、従来のタッピングモードの測定法
に比べて、測定の仕方が簡単になる。また、カンチレバ
ーを交換しても、常に一定の観察像を得ることができる
ようになる。
び試料の各固有の共振周波数を避けて試料を振動させる
ようにしているので、従来のタッピングモードの測定法
に比べて、測定の仕方が簡単になる。また、カンチレバ
ーを交換しても、常に一定の観察像を得ることができる
ようになる。
【００１３】この場合、カンチレバーおよび試料の単体
での自由振動とは無関係に、カンチレバーが試料に接触
したときに新たに発生する共振周波数を用いる構成とす
ることもでき、これにより測定の感度を高めることがで
きる。また、カンチレバーと試料とを接触させることに
よりシフトしたカンチレバーの新たな共振周波数で振動
させることにより、２個以上の共振周波数を持ったカン
チレバーであっても、試料と探針間のカップリングによ
り生ずる共振周波数がこれらの中間にあれば測定するこ
とができる。
での自由振動とは無関係に、カンチレバーが試料に接触
したときに新たに発生する共振周波数を用いる構成とす
ることもでき、これにより測定の感度を高めることがで
きる。また、カンチレバーと試料とを接触させることに
よりシフトしたカンチレバーの新たな共振周波数で振動
させることにより、２個以上の共振周波数を持ったカン
チレバーであっても、試料と探針間のカップリングによ
り生ずる共振周波数がこれらの中間にあれば測定するこ
とができる。
【００１４】いずれにしても、試料を振動させておいて
これにカンチレバーを接触させるので、カンチレバーの
振動振幅は、カンチレバーを試料に近付けるにしたがっ
て増大する傾向となる。このため、検出感度を大きくす
ることが可能である。このように、タッピングモードと
異なり探針が試料に極めて接近した場合の振動振幅が最
大となる検出方法であるため、探針が試料に極めて接近
した場合の検出信号のＳ／Ｎ比が向上し、検出特性が安
定する。
これにカンチレバーを接触させるので、カンチレバーの
振動振幅は、カンチレバーを試料に近付けるにしたがっ
て増大する傾向となる。このため、検出感度を大きくす
ることが可能である。このように、タッピングモードと
異なり探針が試料に極めて接近した場合の振動振幅が最
大となる検出方法であるため、探針が試料に極めて接近
した場合の検出信号のＳ／Ｎ比が向上し、検出特性が安
定する。
【００１５】また、本発明の装置によれば、前記Ｚサー
ボ系は前記カンチレバーの試料に対する接触圧が所定の
大きさになったところで平衡を保つようにしているの
で、測定のための初期設定（Ｚ粗動）が簡単になり、熟
練者でなくても、容易に走査プローブ顕微鏡を扱えるよ
うになる。
ボ系は前記カンチレバーの試料に対する接触圧が所定の
大きさになったところで平衡を保つようにしているの
で、測定のための初期設定（Ｚ粗動）が簡単になり、熟
練者でなくても、容易に走査プローブ顕微鏡を扱えるよ
うになる。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下に、図面を参照して、本発明
を詳細に説明する。
を詳細に説明する。
【００１７】図１は、本発明の一実施形態の構成を示す
ブロック図である。図示されているように、上端が固定
されたピエゾスキャナ１の下端に、カンチレバー３の変
位検出部２（以下、光てこ検出部と呼ぶ）が取り付けら
れている。該光てこ検出部２の出力信号はＲＭＳ−ＤＣ
回路（Root mean square-DC 回路、すなわち、２乗平均
平滑回路）４に入力し、ここで検波されてカンチレバー
３の変位に応じたレベルの直流信号に変換される。ＲＭ
Ｓ−ＤＣ回路４の出力信号は比較器５に入力され、目標
値設定部６で設定された目標値と大小比較される。該比
較器５での大小比較の結果を示す出力は、比例積分（Ｐ
Ｉ）制御部７に入力される。
ブロック図である。図示されているように、上端が固定
されたピエゾスキャナ１の下端に、カンチレバー３の変
位検出部２（以下、光てこ検出部と呼ぶ）が取り付けら
れている。該光てこ検出部２の出力信号はＲＭＳ−ＤＣ
回路（Root mean square-DC 回路、すなわち、２乗平均
平滑回路）４に入力し、ここで検波されてカンチレバー
３の変位に応じたレベルの直流信号に変換される。ＲＭ
Ｓ−ＤＣ回路４の出力信号は比較器５に入力され、目標
値設定部６で設定された目標値と大小比較される。該比
較器５での大小比較の結果を示す出力は、比例積分（Ｐ
Ｉ）制御部７に入力される。
【００１８】該比例積分制御部７の出力信号は、試料１
２の表面の形状を表す画像信号ａとして図示されていな
い画像表示装置に送られる。また、該比例積分制御部７
の出力信号は、増幅器８に送られる。増幅器８の出力
は、前記ピエゾスキャナ１のＺ方向駆動電極１ａに印加
される。また、ＸＹ走査信号発生部１０の走査信号出力
は、それぞれ、Ｘ，Ｙ方向駆動電極１ｂ，１ｃに印加さ
れる。なお、前記比較器５、目標値設定部６、およびＰ
Ｉ制御部７は、Ｚサーボ系１１を構成している。
２の表面の形状を表す画像信号ａとして図示されていな
い画像表示装置に送られる。また、該比例積分制御部７
の出力信号は、増幅器８に送られる。増幅器８の出力
は、前記ピエゾスキャナ１のＺ方向駆動電極１ａに印加
される。また、ＸＹ走査信号発生部１０の走査信号出力
は、それぞれ、Ｘ，Ｙ方向駆動電極１ｂ，１ｃに印加さ
れる。なお、前記比較器５、目標値設定部６、およびＰ
Ｉ制御部７は、Ｚサーボ系１１を構成している。
【００１９】符号９で示されるのは、１〜４００ｋＨｚ
の電圧信号を出力することができる発振器であり、発振
器９からの出力信号は、加振装置として働く多層ピエゾ
２２に印加されている。多層ピエゾ２２は、周知のよう
に、同極性のピエゾ板を複数枚同じ向きに積層したもの
であり、多層ピエゾ２２は固定台２３上に設けられ、多
層ピエゾ２２上に試料１２が置かれている。多層ピエゾ
２２に発振器９からの出力信号が印加されると一枚々々
の変位量が加算されて大きく変位できる。以上の構成に
より、発振器９からの出力信号の周波数と同じ振動数で
試料１２を多層ピエゾ２２によって強制的に振動させる
ことができる。
の電圧信号を出力することができる発振器であり、発振
器９からの出力信号は、加振装置として働く多層ピエゾ
２２に印加されている。多層ピエゾ２２は、周知のよう
に、同極性のピエゾ板を複数枚同じ向きに積層したもの
であり、多層ピエゾ２２は固定台２３上に設けられ、多
層ピエゾ２２上に試料１２が置かれている。多層ピエゾ
２２に発振器９からの出力信号が印加されると一枚々々
の変位量が加算されて大きく変位できる。以上の構成に
より、発振器９からの出力信号の周波数と同じ振動数で
試料１２を多層ピエゾ２２によって強制的に振動させる
ことができる。
【００２０】次に、本実施形態の動作を、図１と図２を
参照して具体的に説明する。ここに、図２は前記カンチ
レバー３の先端に設けられた探針３ａと試料間の距離ｄ
（横軸）と、前記ＲＭＳ−ＤＣ回路の出力信号の値（縦
軸）との関係を示している。まず、探針３ａと試料１２
との間の距離ｄを所定の距離だけ離した状態で発振器９
を作動させ、該発振器９の出力信号を多層ピエゾ２２に
印加することにより、試料１２を上下（Ｚ）方向に加振
する。このとき、試料１２の振動数がカンチレバー３及
び試料１２の各固有の共振周波数の影響が実質的にない
振動数となるよう、発振器９の周波数が調節される。こ
のようにして、加振器として働く多層ピエゾ２２により
試料１２を上下（Ｚ）方向に加振すると、試料１２は所
定の一定振幅をもって強制的に振動された状態になる。
このとき、探針３ａは試料１２から大きく離れており、
試料１２の振幅は前記探針３ａと試料間の距離ｄより小
さいので、探針３ａが試料面に接触することはなく、Ｒ
ＭＳ−ＤＣ回路の出力信号値は０である。
参照して具体的に説明する。ここに、図２は前記カンチ
レバー３の先端に設けられた探針３ａと試料間の距離ｄ
（横軸）と、前記ＲＭＳ−ＤＣ回路の出力信号の値（縦
軸）との関係を示している。まず、探針３ａと試料１２
との間の距離ｄを所定の距離だけ離した状態で発振器９
を作動させ、該発振器９の出力信号を多層ピエゾ２２に
印加することにより、試料１２を上下（Ｚ）方向に加振
する。このとき、試料１２の振動数がカンチレバー３及
び試料１２の各固有の共振周波数の影響が実質的にない
振動数となるよう、発振器９の周波数が調節される。こ
のようにして、加振器として働く多層ピエゾ２２により
試料１２を上下（Ｚ）方向に加振すると、試料１２は所
定の一定振幅をもって強制的に振動された状態になる。
このとき、探針３ａは試料１２から大きく離れており、
試料１２の振幅は前記探針３ａと試料間の距離ｄより小
さいので、探針３ａが試料面に接触することはなく、Ｒ
ＭＳ−ＤＣ回路の出力信号値は０である。
【００２１】その後、Ｚサーボ系１１が動作し、ピエゾ
スキャナ１のＺ方向駆動電極１ａに段々大きな電圧が印
加されるようになり、前記光てこ検出部２が下降し、探
針３ａと試料１２との間の距離ｄが段々小さくなる。そ
して、ついには、探針３ａが振動している試料１２の表
面に接触する。そうすると、カンチレバー３は試料１２
から力を受け変位する。この変位は光てこ検出部２で電
気信号に変えられ、ＲＭＳ−ＤＣ回路４で直流に変えら
れて、比較器５で、目標値と比較される。
スキャナ１のＺ方向駆動電極１ａに段々大きな電圧が印
加されるようになり、前記光てこ検出部２が下降し、探
針３ａと試料１２との間の距離ｄが段々小さくなる。そ
して、ついには、探針３ａが振動している試料１２の表
面に接触する。そうすると、カンチレバー３は試料１２
から力を受け変位する。この変位は光てこ検出部２で電
気信号に変えられ、ＲＭＳ−ＤＣ回路４で直流に変えら
れて、比較器５で、目標値と比較される。
【００２２】本実施形態では、該目標値が図２のΔＡに
設定されているので、試料１２の強制振動の最大ストロ
ークの時点で探針３ａがその表面から（ｄ1 −ｄ0 ）入
った所でＺ粗動を終了する。その後、ＸＹ走査信号発生
部１０を動作させて、試料１２の観察を開始する。
設定されているので、試料１２の強制振動の最大ストロ
ークの時点で探針３ａがその表面から（ｄ1 −ｄ0 ）入
った所でＺ粗動を終了する。その後、ＸＹ走査信号発生
部１０を動作させて、試料１２の観察を開始する。
【００２３】本実施形態では、前記のように、試料１２
を発振器９の信号出力により多層ピエゾ２２を用いて強
制振動させる。このとき、発振器９の信号出力の周波数
をカンチレバー３の共振周波数と大きく異ならせるので
あるが、例えば、カンチレバー３の共振周波数をｆreso
とし、発振器９の信号出力の周波数をｆosc とし、前記
Ｚサーボ系の動作帯域をｆservo とすると、これら３つ
の周波数の間にｆreso＞＞ｆosc ＞ｆservo が成立する
ようにする。
を発振器９の信号出力により多層ピエゾ２２を用いて強
制振動させる。このとき、発振器９の信号出力の周波数
をカンチレバー３の共振周波数と大きく異ならせるので
あるが、例えば、カンチレバー３の共振周波数をｆreso
とし、発振器９の信号出力の周波数をｆosc とし、前記
Ｚサーボ系の動作帯域をｆservo とすると、これら３つ
の周波数の間にｆreso＞＞ｆosc ＞ｆservo が成立する
ようにする。
【００２４】具体的には、カンチレバー３の共振周波数
ｆresoは通常１００〜３００ｋＨｚであるので、発振器
９の発振周波数ｆosc を１〜２０ｋＨｚ、Ｚサーボ系の
動作帯域ｆservo を１ｋＨｚ程度とするのが好ましい。
なお、発振器９の出力信号の振幅、すなわち試料１２の
強制振動の振幅は、２０〜５００ｎｍ程度とする。
ｆresoは通常１００〜３００ｋＨｚであるので、発振器
９の発振周波数ｆosc を１〜２０ｋＨｚ、Ｚサーボ系の
動作帯域ｆservo を１ｋＨｚ程度とするのが好ましい。
なお、発振器９の出力信号の振幅、すなわち試料１２の
強制振動の振幅は、２０〜５００ｎｍ程度とする。
【００２５】本実施の形態によれば、Ｚ粗動により探針
３ａが試料１２の表面に所定の接触圧で接触した時点で
初期調整を終了し、その後、試料１２を強制振動させな
がら試料１２の表面の観察を始めることができるので、
カンチレバー３の針先が試料１２の表面を叩く圧力を、
カンチレバー３を交換しても常に一定となるように、容
易に初期設定できる。また、本実施の形態では、カンチ
レバー３の共振周波数を利用していないので、カンチレ
バー３を交換しても、常に変化のない、安定した試料表
面の検出データを得ることができるようになる。このよ
うに、試料を振動させておいてこれにカンチレバーを接
触させるので、カンチレバーの振動振幅は、カンチレバ
ーを試料に近付けるにしたがって増大する傾向となる。
このため、検出感度を大きくすることが可能である。ま
た、タッピングモードと異なり探針が試料に極めて接近
した場合の振動振幅が最大となる検出方法であるため、
探針が試料に極めて接近した場合の検出信号のＳ／Ｎ比
が向上し、検出特性が安定する。
３ａが試料１２の表面に所定の接触圧で接触した時点で
初期調整を終了し、その後、試料１２を強制振動させな
がら試料１２の表面の観察を始めることができるので、
カンチレバー３の針先が試料１２の表面を叩く圧力を、
カンチレバー３を交換しても常に一定となるように、容
易に初期設定できる。また、本実施の形態では、カンチ
レバー３の共振周波数を利用していないので、カンチレ
バー３を交換しても、常に変化のない、安定した試料表
面の検出データを得ることができるようになる。このよ
うに、試料を振動させておいてこれにカンチレバーを接
触させるので、カンチレバーの振動振幅は、カンチレバ
ーを試料に近付けるにしたがって増大する傾向となる。
このため、検出感度を大きくすることが可能である。ま
た、タッピングモードと異なり探針が試料に極めて接近
した場合の振動振幅が最大となる検出方法であるため、
探針が試料に極めて接近した場合の検出信号のＳ／Ｎ比
が向上し、検出特性が安定する。
【００２６】このように、上記実施の形態では、カンチ
レバー３の共振周波数を避けてカンチレバー３を強制振
動させる構成を示したが、この場合、その感度を上昇さ
せるため、カンチレバー３が試料１２と接触することに
より新たに生じる共振周波でカンチレバー３を強制振動
させる構成とすることができる。
レバー３の共振周波数を避けてカンチレバー３を強制振
動させる構成を示したが、この場合、その感度を上昇さ
せるため、カンチレバー３が試料１２と接触することに
より新たに生じる共振周波でカンチレバー３を強制振動
させる構成とすることができる。
【００２７】図３には、周波数を横軸にとり、縦軸に振
幅をとって、種々の状態におけるカンチレバー３の振動
特性を示したものである。符号Ａで示される曲線は、カ
ンチレバー３の共振周波数ｆ0 においてカンチレバー３
を単独で振動させたときの振動特性である。符号Ｂで示
される曲線は、カンチレバー３を試料１２に接触するこ
とによりカンチレバー３の共振周波数ｆ0 がｆc に変化
し、これにより振動特性Ａが若干シフトした振動特性を
示すものである。符号Ｃ、Ｄは、カンチレバー３を測定
のために試料１２に接触させることにより、新たな共振
周波数ｆ1 、ｆ2 が生じ、これによるカンチレバー３の
新たな振動特性を示すものである。
幅をとって、種々の状態におけるカンチレバー３の振動
特性を示したものである。符号Ａで示される曲線は、カ
ンチレバー３の共振周波数ｆ0 においてカンチレバー３
を単独で振動させたときの振動特性である。符号Ｂで示
される曲線は、カンチレバー３を試料１２に接触するこ
とによりカンチレバー３の共振周波数ｆ0 がｆc に変化
し、これにより振動特性Ａが若干シフトした振動特性を
示すものである。符号Ｃ、Ｄは、カンチレバー３を測定
のために試料１２に接触させることにより、新たな共振
周波数ｆ1 、ｆ2 が生じ、これによるカンチレバー３の
新たな振動特性を示すものである。
【００２８】本発明により、カンチレバー３をその共振
周波数ｆ0 を避けて外部からの力で強制振動させる場
合、図３に符号Ｃ、Ｄで示される如き新たな共振周波数
ｆ1 、ｆ2 を利用してより高感度で高性能の装置を構成
することができる。
周波数ｆ0 を避けて外部からの力で強制振動させる場
合、図３に符号Ｃ、Ｄで示される如き新たな共振周波数
ｆ1 、ｆ2 を利用してより高感度で高性能の装置を構成
することができる。
【００２９】すなわち、図１の発振器９を、１〜４００
ＫＨｚ程度の範囲で発振可能なものとし、発振器９を上
述の周波数ｆ1 又はｆ2 に合わせることにより、カンチ
レバー３をより高効率で振動させ、高感度な測定系を構
成することができる。そして、上述の周波数ｆ1 又はｆ
2 はカンチレバー３を交換しても大きく変化しないの
で、図１に示した実施の形態の場合と同様に、常に変化
のない、安定した試料表面の検出データを得ることがで
きるようになる。
ＫＨｚ程度の範囲で発振可能なものとし、発振器９を上
述の周波数ｆ1 又はｆ2 に合わせることにより、カンチ
レバー３をより高効率で振動させ、高感度な測定系を構
成することができる。そして、上述の周波数ｆ1 又はｆ
2 はカンチレバー３を交換しても大きく変化しないの
で、図１に示した実施の形態の場合と同様に、常に変化
のない、安定した試料表面の検出データを得ることがで
きるようになる。
【００３０】また、このような周波数ｆ1 、ｆ2 を使用
すると、カンチレバー３が試料１２から離れることによ
り周波数ｆ1 、ｆ2 での共振状態も解消されてしまうた
め、カンチレバー３が試料１２から離れることによりカ
ンチレバー３の振幅が急激に小さくなるので、図２に示
す特性線が、例えば一点鎖線で示されるようになり、カ
ンチレバー３の試料１２への接触、非接触の検知を極め
て精度よく行うことが可能となる。
すると、カンチレバー３が試料１２から離れることによ
り周波数ｆ1 、ｆ2 での共振状態も解消されてしまうた
め、カンチレバー３が試料１２から離れることによりカ
ンチレバー３の振幅が急激に小さくなるので、図２に示
す特性線が、例えば一点鎖線で示されるようになり、カ
ンチレバー３の試料１２への接触、非接触の検知を極め
て精度よく行うことが可能となる。
【００３１】上記では、周波数ｆ1 、ｆ2 を利用する場
合の実施の形態を説明したが、図３に示したシフト共振
周波数ｆc を利用しても、より高感度で高性能の装置を
構成することができる。
合の実施の形態を説明したが、図３に示したシフト共振
周波数ｆc を利用しても、より高感度で高性能の装置を
構成することができる。
【００３２】すなわち、図１の発振器９を、１〜４００
ｋＨｚ程度の範囲で発振可能なものとし、発振器９の出
力周波数を上述の周波数ｆc に合わせることにより、試
料１２を周波数ｆc で振動させておき、試料１２にカン
チレバー３が接触したときにカンチレバー３をより高効
率で振動させ、高感度な測定系を構成することができ
る。そして、上述の周波数ｆc は試料１２との接触によ
るものであるから、カンチレバー３を交換しても大きく
変化しないので、図１に示した実施の形態の場合と同様
に、常に変化のない、安定した試料表面の検出データを
得ることができるようになる。
ｋＨｚ程度の範囲で発振可能なものとし、発振器９の出
力周波数を上述の周波数ｆc に合わせることにより、試
料１２を周波数ｆc で振動させておき、試料１２にカン
チレバー３が接触したときにカンチレバー３をより高効
率で振動させ、高感度な測定系を構成することができ
る。そして、上述の周波数ｆc は試料１２との接触によ
るものであるから、カンチレバー３を交換しても大きく
変化しないので、図１に示した実施の形態の場合と同様
に、常に変化のない、安定した試料表面の検出データを
得ることができるようになる。
【００３３】また、このような周波数ｆc を使用する
と、カンチレバー３が試料１２から離れることにより周
波数ｆc での共振状態も解消されてしまうため、カンチ
レバー３が試料１２から離れることによりカンチレバー
３の振幅が急激に小さくなるので、図２に一点鎖線で示
す特性となり、カンチレバー３の試料１２への接触、非
接触の検知を極めて精度よく行うことが可能となる。
と、カンチレバー３が試料１２から離れることにより周
波数ｆc での共振状態も解消されてしまうため、カンチ
レバー３が試料１２から離れることによりカンチレバー
３の振幅が急激に小さくなるので、図２に一点鎖線で示
す特性となり、カンチレバー３の試料１２への接触、非
接触の検知を極めて精度よく行うことが可能となる。
【００３４】このように、カンチレバー３をカンチレバ
ー３の単体での固有の共振周波数ｆ0 を避けて新たな共
振周波数ｆc で振動させると、該振動の振幅が、前記探
針３ａと試料間の距離ｄより小さい場合、探針３ａが試
料面に接触することはなく、ＲＭＳ−ＤＣ回路の出力信
号値は０である。
ー３の単体での固有の共振周波数ｆ0 を避けて新たな共
振周波数ｆc で振動させると、該振動の振幅が、前記探
針３ａと試料間の距離ｄより小さい場合、探針３ａが試
料面に接触することはなく、ＲＭＳ−ＤＣ回路の出力信
号値は０である。
【００３５】その後、Ｚサーボ系１１が動作し、ピエゾ
スキャナ１のＺ方向駆動電極１ａに段々大きな電圧が印
加されるようになり、前記光てこ検出部２が下降し、探
針３ａと試料１２との間の距離ｄが段々小さくなる。そ
して、ついには、探針３ａが振動している試料１２の表
面に接触する。そうすると、カンチレバー３は試料１２
から力を受け変位する。この変位は光てこ検出部２で電
気信号に変えられ、ＲＭＳ−ＤＣ回路４で直流に変えら
れて、比較器５で、目標値と比較される。
スキャナ１のＺ方向駆動電極１ａに段々大きな電圧が印
加されるようになり、前記光てこ検出部２が下降し、探
針３ａと試料１２との間の距離ｄが段々小さくなる。そ
して、ついには、探針３ａが振動している試料１２の表
面に接触する。そうすると、カンチレバー３は試料１２
から力を受け変位する。この変位は光てこ検出部２で電
気信号に変えられ、ＲＭＳ−ＤＣ回路４で直流に変えら
れて、比較器５で、目標値と比較される。
【００３６】本実施形態では、該目標値が図２のΔＡに
設定されているので、共振周波数ｆc による前記強制振
動の最大ストロークの時点で試料がその表面から（ｄ1
−ｄ0 ）入った所でカンチレバー３は共振周波数ｆc に
よる共振振動となり、Ｚ粗動を終了する。その後、ＸＹ
走査信号発生部１０を動作させて、試料１２の観察を開
始する。
設定されているので、共振周波数ｆc による前記強制振
動の最大ストロークの時点で試料がその表面から（ｄ1
−ｄ0 ）入った所でカンチレバー３は共振周波数ｆc に
よる共振振動となり、Ｚ粗動を終了する。その後、ＸＹ
走査信号発生部１０を動作させて、試料１２の観察を開
始する。
【００３７】本実施形態では、前記のように、試料１２
を発振器９の周波数ｆc の信号出力により振動させる。
このとき、前記Ｚサーボ系の動作帯域をｆservo とする
と、ｆc ＞ｆservo が成立するようにする。
を発振器９の周波数ｆc の信号出力により振動させる。
このとき、前記Ｚサーボ系の動作帯域をｆservo とする
と、ｆc ＞ｆservo が成立するようにする。
【００３８】具体的には、カンチレバー３の新しい共振
周波数ｆc は通常１００〜３００ｋＨｚであるので、Ｚ
サーボ系の動作帯域ｆservo を１ｋＨｚ程度とするのが
好ましい。なお、試料１２の振動の振幅は、２０〜５０
０ｎｍ程度とする。
周波数ｆc は通常１００〜３００ｋＨｚであるので、Ｚ
サーボ系の動作帯域ｆservo を１ｋＨｚ程度とするのが
好ましい。なお、試料１２の振動の振幅は、２０〜５０
０ｎｍ程度とする。
【００３９】本実施の形態によれば、Ｚ粗動により探針
３ａが試料１２の表面に所定の接触圧で接触した時点で
初期調整を終了し、その後、試料１２を新しい共振周波
数ｆc で振動させながら試料１２の表面の観察を始める
ことができるので、カンチレバー３の針先が試料１２の
表面を叩く圧力を、カンチレバー３を交換しても常に一
定となるように、容易に初期設定できる。また、本実施
の形態では、カンチレバー３単独の場合の共振周波数ｆ
0 でなく、カンチレバー３が試料１２に接触したときに
共振周波数ｆ0 より若干シフトすることになる新しい共
振周波数ｆc を利用しているので、カンチレバー３を交
換しても、常に変化のない、安定した試料表面の検出デ
ータを得ることができるようになる。
３ａが試料１２の表面に所定の接触圧で接触した時点で
初期調整を終了し、その後、試料１２を新しい共振周波
数ｆc で振動させながら試料１２の表面の観察を始める
ことができるので、カンチレバー３の針先が試料１２の
表面を叩く圧力を、カンチレバー３を交換しても常に一
定となるように、容易に初期設定できる。また、本実施
の形態では、カンチレバー３単独の場合の共振周波数ｆ
0 でなく、カンチレバー３が試料１２に接触したときに
共振周波数ｆ0 より若干シフトすることになる新しい共
振周波数ｆc を利用しているので、カンチレバー３を交
換しても、常に変化のない、安定した試料表面の検出デ
ータを得ることができるようになる。
【００４０】共振周波数ｆc を試料１２の振動周波数と
して使用する場合には、図６に示されるように、カンチ
レバー３が２つの共振周波数ｆ01、ｆ02あるいは３つ以
上の共振周波数を有している場合であっても、試料１２
と探針３ａとの間のカップリングにより生ずる共振周波
数ｆc がこれらの中間にあれば所要の測定が可能になる
という利点を有している。
して使用する場合には、図６に示されるように、カンチ
レバー３が２つの共振周波数ｆ01、ｆ02あるいは３つ以
上の共振周波数を有している場合であっても、試料１２
と探針３ａとの間のカップリングにより生ずる共振周波
数ｆc がこれらの中間にあれば所要の測定が可能になる
という利点を有している。
【００４１】次に、本発明の別の実施形態を、図４を参
照して説明する。図４において、図１と同一の符号は、
同一または同等物を示す。この実施形態は、ピエゾスキ
ャナの上に多層ピエゾを置き、その上に試料を置いて、
該試料を強制振動させるようにした点に特徴がある。
照して説明する。図４において、図１と同一の符号は、
同一または同等物を示す。この実施形態は、ピエゾスキ
ャナの上に多層ピエゾを置き、その上に試料を置いて、
該試料を強制振動させるようにした点に特徴がある。
【００４２】図４において、カンチレバー３は図示され
ていない治具に固定されている。該カンチレバー３と対
向する位置には、多層ピエゾ２２を介してピエゾスキャ
ナ２１上に載置されている試料１２が置かれている。多
層ピエゾ２２は、周知のように、同極性のピエゾ板を複
数枚同じ向きに積層し、該多層ピエゾ２２に駆動電圧を
印加した時に一枚々々の変位量が加算されて大きくなる
ようにしたものである。
ていない治具に固定されている。該カンチレバー３と対
向する位置には、多層ピエゾ２２を介してピエゾスキャ
ナ２１上に載置されている試料１２が置かれている。多
層ピエゾ２２は、周知のように、同極性のピエゾ板を複
数枚同じ向きに積層し、該多層ピエゾ２２に駆動電圧を
印加した時に一枚々々の変位量が加算されて大きくなる
ようにしたものである。
【００４３】本実施形態の動作を説明すると、まず発振
器２３を動作させて試料１２を強制振動させながら、Ｚ
サーボ系を動作させる。試料１２を強制振動させるため
の周波数は、先の実施の形態の場合と同じく、カンチレ
バー３及び試料１２の各固有の共振周波数の影響が実質
的にない振動数に設定される。この動作が進行し、探針
３ａが試料１２に接触して、ＲＭＳ−ＤＣ回路４の出力
信号が図２のΔＡになると、Ｚ粗動は終了される。次い
で、ＸＹ走査信号発生部１０の走査信号出力がピエゾス
キャナ１のＸ，Ｙ方向駆動電極２１ｂ，２１ｃに印加さ
れ、実際の観察に進む。
器２３を動作させて試料１２を強制振動させながら、Ｚ
サーボ系を動作させる。試料１２を強制振動させるため
の周波数は、先の実施の形態の場合と同じく、カンチレ
バー３及び試料１２の各固有の共振周波数の影響が実質
的にない振動数に設定される。この動作が進行し、探針
３ａが試料１２に接触して、ＲＭＳ−ＤＣ回路４の出力
信号が図２のΔＡになると、Ｚ粗動は終了される。次い
で、ＸＹ走査信号発生部１０の走査信号出力がピエゾス
キャナ１のＸ，Ｙ方向駆動電極２１ｂ，２１ｃに印加さ
れ、実際の観察に進む。
【００４４】このように、本実施形態によれば、試料１
２をカンチレバー３及び試料１２の各固有の共振周波数
の影響が実質的にない周波数で強制振動させながら上昇
させ、カンチレバー３が試料に対して所定の接触圧にな
った所でＺ粗動を終了するようにしているので、第１実
施形態と同様に、カンチレバーの針先が試料表面を叩く
圧力を、カンチレバーを変えても常に一定となるよう
に、容易に初期設定できる。また、カンチレバーを交換
しても、常に変化のない、安定した試料表面の検出デー
タを得ることができるようになる。
２をカンチレバー３及び試料１２の各固有の共振周波数
の影響が実質的にない周波数で強制振動させながら上昇
させ、カンチレバー３が試料に対して所定の接触圧にな
った所でＺ粗動を終了するようにしているので、第１実
施形態と同様に、カンチレバーの針先が試料表面を叩く
圧力を、カンチレバーを変えても常に一定となるよう
に、容易に初期設定できる。また、カンチレバーを交換
しても、常に変化のない、安定した試料表面の検出デー
タを得ることができるようになる。
【００４５】図４に示した実施形態の場合においても、
先に説明した実施の形態の場合と同様に、カンチレバー
３の強制振動の周波数をカンチレバー３を試料１２に接
触することによって新たに生じる共振周波数ｆ1 又はｆ
2 とする構成、又は図３に示したシフト共振周波数ｆc
とする構成に変更でき、これにより同様の効果を得るこ
とができることは勿論であるが、その詳細については既
に詳しく説明したので、ここでは、同様の説明を繰り返
すのを省略する。
先に説明した実施の形態の場合と同様に、カンチレバー
３の強制振動の周波数をカンチレバー３を試料１２に接
触することによって新たに生じる共振周波数ｆ1 又はｆ
2 とする構成、又は図３に示したシフト共振周波数ｆc
とする構成に変更でき、これにより同様の効果を得るこ
とができることは勿論であるが、その詳細については既
に詳しく説明したので、ここでは、同様の説明を繰り返
すのを省略する。
【００４６】次に、本発明のさらに別の実施形態を、図
５を参照して説明する。図５において、図１と同一の符
号は、同一または同等物を示す。この実施形態は、本発
明をボイスコイルモータを用いた走査プローブ顕微鏡３
０で実現した点に特徴がある。
５を参照して説明する。図５において、図１と同一の符
号は、同一または同等物を示す。この実施形態は、本発
明をボイスコイルモータを用いた走査プローブ顕微鏡３
０で実現した点に特徴がある。
【００４７】図示されているように、ＰＩ制御部７から
の出力に応答して電流源３１からＺ方向のボイスコイル
モータ３２のコイル３３に電流を流すと、可動子３４は
図の下方向に駆動され、スピンドル３５の端部の光てこ
検出部２に取り付けられたカンチレバー３はＺ方向に粗
動する。そこで、本実施形態では、発振器９を動作さ
せ、試料１２を多層ピエゾ２２によって強制振動させな
がらＺサーボ系を動作させてＺ粗動を行わせる。そし
て、該カンチレバー３の試料１２に対する接触圧が図２
のΔＡになった所で、Ｚ粗動は終了する。このときの試
料１２の振動周波数は、カンチレバー３及び試料１２の
各固有の共振周波数の影響が実質的にない振動数に設定
される。
の出力に応答して電流源３１からＺ方向のボイスコイル
モータ３２のコイル３３に電流を流すと、可動子３４は
図の下方向に駆動され、スピンドル３５の端部の光てこ
検出部２に取り付けられたカンチレバー３はＺ方向に粗
動する。そこで、本実施形態では、発振器９を動作さ
せ、試料１２を多層ピエゾ２２によって強制振動させな
がらＺサーボ系を動作させてＺ粗動を行わせる。そし
て、該カンチレバー３の試料１２に対する接触圧が図２
のΔＡになった所で、Ｚ粗動は終了する。このときの試
料１２の振動周波数は、カンチレバー３及び試料１２の
各固有の共振周波数の影響が実質的にない振動数に設定
される。
【００４８】続いて、Ｘ方向のボイスコイルモータ４０
および図示されていないＹ方向のボイスコイルモータ
に、ＸＹ走査信号が印加される。そうすると、光てこ検
出部２からは、従来のタッピングモードと同様の、試料
１２の表面の形状データを得ることができるようにな
る。なお、本実施形態の走査プローブ顕微鏡３０の動作
については、本出願人による特願平８−１１８０１５号
に詳細に説明されているので、説明を省略する。本実施
形態の構成によっても、前記実施形態と同様の効果を得
ることができる。
および図示されていないＹ方向のボイスコイルモータ
に、ＸＹ走査信号が印加される。そうすると、光てこ検
出部２からは、従来のタッピングモードと同様の、試料
１２の表面の形状データを得ることができるようにな
る。なお、本実施形態の走査プローブ顕微鏡３０の動作
については、本出願人による特願平８−１１８０１５号
に詳細に説明されているので、説明を省略する。本実施
形態の構成によっても、前記実施形態と同様の効果を得
ることができる。
【００４９】図５に示した実施形態の場合においても、
試料１２の強制振動の周波数をカンチレバー３を試料１
２に接触することによって新たに生じる共振周波数ｆ1
又はｆ2 とする構成、又は図３に示したシフト共振周波
数ｆc とする構成に変更でき、これにより同様の効果を
得ることができることは勿論であるが、その詳細につい
ては既に詳しく説明したので、ここでは、同様の説明を
繰り返すのを省略する。
試料１２の強制振動の周波数をカンチレバー３を試料１
２に接触することによって新たに生じる共振周波数ｆ1
又はｆ2 とする構成、又は図３に示したシフト共振周波
数ｆc とする構成に変更でき、これにより同様の効果を
得ることができることは勿論であるが、その詳細につい
ては既に詳しく説明したので、ここでは、同様の説明を
繰り返すのを省略する。
【００５０】以上説明した本発明の各実施形態は本発明
の一例であり、本発明はこれらの実施形態の構成に限定
されないことは勿論である。要は、本発明の趣旨であ
る、試料をカンチレバー単体の又は試料単体の共振周波
数を避けて強制振動させながら、該試料にカンチレバー
を軽く接触して測定する方法および装置を含む発明は、
本発明の範囲に入るということができる。
の一例であり、本発明はこれらの実施形態の構成に限定
されないことは勿論である。要は、本発明の趣旨であ
る、試料をカンチレバー単体の又は試料単体の共振周波
数を避けて強制振動させながら、該試料にカンチレバー
を軽く接触して測定する方法および装置を含む発明は、
本発明の範囲に入るということができる。
【００５１】
【発明の効果】本発明によれば、上述の如く、カンチレ
バーの針先が試料表面を叩く圧力を、カンチレバーを変
えても常に一定となるよう容易に初期設定できる。ま
た、このため、カンチレバーを変えても変化のない安定
した試料表面の検出データを得ることができるようにな
る。
バーの針先が試料表面を叩く圧力を、カンチレバーを変
えても常に一定となるよう容易に初期設定できる。ま
た、このため、カンチレバーを変えても変化のない安定
した試料表面の検出データを得ることができるようにな
る。
【００５２】カンチレバーおよび試料の単体での自由振
動とは無関係に、カンチレバーが試料に接触したときに
新たに発生する共振周波数で試料を振動させる構成によ
れば、測定の感度を高めることができるほか、カンチレ
バーと試料との接触、非接触により振動振幅を大幅に異
ならせることができるので、カンチレバーが試料に接触
したか否かの検出を極めて精度よく行うことができ、高
性能化に役立つ。また、試料を振動させておいてこれに
カンチレバーを接触させるので、カンチレバーの振動振
幅は、カンチレバーを試料に近付けるにしたがって増大
する傾向となる。このため、検出感度を大きくすること
が可能である。このように、タッピングモードと異なり
探針が試料に極めて接近した場合の振動振幅が最大とな
る検出方法であるため、探針が試料に極めて接近した場
合の検出信号のＳ／Ｎ比が向上し、検出特性が安定す
る。
動とは無関係に、カンチレバーが試料に接触したときに
新たに発生する共振周波数で試料を振動させる構成によ
れば、測定の感度を高めることができるほか、カンチレ
バーと試料との接触、非接触により振動振幅を大幅に異
ならせることができるので、カンチレバーが試料に接触
したか否かの検出を極めて精度よく行うことができ、高
性能化に役立つ。また、試料を振動させておいてこれに
カンチレバーを接触させるので、カンチレバーの振動振
幅は、カンチレバーを試料に近付けるにしたがって増大
する傾向となる。このため、検出感度を大きくすること
が可能である。このように、タッピングモードと異なり
探針が試料に極めて接近した場合の振動振幅が最大とな
る検出方法であるため、探針が試料に極めて接近した場
合の検出信号のＳ／Ｎ比が向上し、検出特性が安定す
る。
【００５３】カンチレバーおよび試料の単体での自由振
動とは無関係に、カンチレバーが試料に接触したときに
シフトする新たな共振周波数でカンチレバーを振動させ
つつ測定を行う場合には、測定の感度を高めることがで
きるほか、カンチレバーと試料との接触、非接触により
振動振幅を大幅に異ならせることができるので、カンチ
レバーが試料に接触したか否かの検出を極めて精度よく
行うことができ、高性能化に役立つ。さらに、カンチレ
バーが２つ以上の共振周波数を有している場合であって
も、試料と探針との間のカップリングにより生ずる共振
周波数がこれらの中間にあれば所要の測定が可能にな
る。
動とは無関係に、カンチレバーが試料に接触したときに
シフトする新たな共振周波数でカンチレバーを振動させ
つつ測定を行う場合には、測定の感度を高めることがで
きるほか、カンチレバーと試料との接触、非接触により
振動振幅を大幅に異ならせることができるので、カンチ
レバーが試料に接触したか否かの検出を極めて精度よく
行うことができ、高性能化に役立つ。さらに、カンチレ
バーが２つ以上の共振周波数を有している場合であって
も、試料と探針との間のカップリングにより生ずる共振
周波数がこれらの中間にあれば所要の測定が可能にな
る。
【００５４】本発明の装置によれば、Ｚサーボ系はカン
チレバーの試料に対する接触圧が所定の大きさになった
所で平衡を保つようにしているので、測定のための初期
設定（Ｚ粗動）が簡単になり、熟練者でなくても、容易
に走査プローブ顕微鏡を扱えるようになる。
チレバーの試料に対する接触圧が所定の大きさになった
所で平衡を保つようにしているので、測定のための初期
設定（Ｚ粗動）が簡単になり、熟練者でなくても、容易
に走査プローブ顕微鏡を扱えるようになる。
【図１】本発明の一実施形態のブロック図である。
【図２】探針−試料間距離と、ＲＭＳ−ＤＣ回路出力と
の関係を示す図である。
の関係を示す図である。
【図３】カンチレバーにおける種々の振動特性を説明す
るための説明図である。
るための説明図である。
【図４】本発明の第２実施形態のブロック図である。
【図５】本発明の第３実施形態のブロック図である。
【図６】カンチレバーの共振周波数が２つある場合の本
発明の利点を説明するための説明図である。
発明の利点を説明するための説明図である。
１、２１…ピエゾスキャナ、
２…変位検出部（光てこ検出部）、
３…カンチレバー、
４…ＲＭＳ−ＤＣ回路（２乗平均平滑回路）、
５…比較器、
６…目標値設定部、
７…比例積分（ＰＩ）制御部、
９、２３…発振器、
１１…Ｚサーボ系、
２２…多層ピエゾ、
３０…走査プローブ顕微鏡、
３１…電流源、
３２…Ｚ方向のボイスコイルモータ、
３３…コイル、
３４…可動子。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 ゲルド ケー．ビニッヒ
スイス ＣＨ−8832 ヴォーレラウ フ
ェレンストリート72
(72)発明者 ウォルター ヘーベル
スイス ＣＨ−8820 バーデンスバイ
ヴェルグリパーク15
(72)発明者 本間 昭彦
千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地
セイコーインスツルメンツ株式会社内
(72)発明者 安武 正敏
千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地
セイコーインスツルメンツ株式会社内
(72)発明者 井上 明
千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地
セイコーインスツルメンツ株式会社内
(72)発明者 松崎 隆一
千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地
セイコーインスツルメンツ株式会社内
(56)参考文献 特開 平９−196939（ＪＰ，Ａ)
特開 平９−281119（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−180227（ＪＰ，Ａ)
特開 平９−281118（ＪＰ，Ａ)
特開 平９−43258（ＪＰ，Ａ)
特開 平10−38900（ＪＰ，Ａ)
特開 平11−352135（ＪＰ，Ａ)
特許2732771（ＪＰ，Ｂ２)
特許3235786（ＪＰ，Ｂ２)
特公 平６−103177（ＪＰ，Ｂ２)
国際公開96／24026（ＷＯ，Ａ１)
Ｐ．Ｍａｉｖａｌｄ ｅｔ ａｌ．"
Ｕｓｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｍｏｄｕｌａ
ｔｉｏｎ ｔｏ ｉｍａｇｅ ｓｕｒｆ
ａｃｅ ｅｌａｓｔｉｃｉｔｉｅｓ ｗ
ｉｔｈ ｔｈｅ ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒ
ｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ”，Ｎａｎ
ｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｉｎｓｔｉｔ
ｕｔｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｐｕｂ
ｌｓｈｉｇ Ｌｔｄ．，1991年，第２
巻，ｐ．103−106
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G01N 13/00 - 13/24
G12B 21/00 - 21/24
ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (12)
- 【請求項１】 試料の表面にカンチレバーをあてて該試
料の表面の形状を測定する走査プローブ顕微鏡の測定方
法であって、 前記カンチレバーおよび前記試料の各固有の共振周波数
の影響が実質的にない周波数で前記試料を振動させた状
態で、前記カンチレバーを試料表面に軽く接触させなが
ら該試料表面の形状を測定するようにしたことを特徴と
する走査プローブ顕微鏡の測定方法。 - 【請求項２】 請求項１記載の走査プローブ顕微鏡の測
定方法において、 前記試料を振動させる振動数を、前記カンチレバーの共
振振動数より小さく、Ｚサーボ系の動作周波数帯域より
大きくしたことを特徴とする走査プローブ顕微鏡の測定
方法。 - 【請求項３】 請求項１または２記載の走査プローブ顕
微鏡の測定方法において、 前記試料を振動させながらＺ粗動させ、前記カンチレバ
ーの前記試料に対する接触圧が所定の大きさになった時
に、該Ｚ粗動を終了させるようにしたことを特徴とする
走査プローブ顕微鏡の測定方法。 - 【請求項４】 請求項１、２または３記載の走査プロー
ブ顕微鏡の測定方法において、 前記試料を振動させる振動数を、前記カンチレバーと前
記試料とを接触させることにより生じる共振周波数とし
たことを特徴とする走査プローブ顕微鏡の測定方法。 - 【請求項５】 試料の表面にカンチレバーをあてて該試
料の表面の形状を測定する走査プローブ顕微鏡の測定方
法であって、 前記カンチレバーと前記試料とを接触させることにより
シフトした前記カンチレバーの新たな共振周波数で前記
試料を振動させ、前記カンチレバーを試料表面に軽く接
触しながら該試料表面の形状を測定するようにしたこと
を特徴とする走査プローブ顕微鏡の測定方法。 - 【請求項６】 請求項５記載の走査プローブ顕微鏡の測
定方法において、 前記振動の振動数をＺサーボ系の動作周波数帯域より大
きくしたことを特徴とする走査プローブ顕微鏡の測定方
法。 - 【請求項７】 請求項５または６記載の走査プローブ顕
微鏡の測定方法において、 前記試料を振動させながらＺ粗動させ、前記カンチレバ
ーの前記試料に対する接触圧が所定の大きさになった時
に、該Ｚ粗動を終了させるようにしたことを特徴とする
走査プローブ顕微鏡の測定方法。 - 【請求項８】 試料の表面を測定する走査プローブ顕微
鏡において、 カンチレバーおよび前記試料の各固有の共振周波数の影
響が実質的にない周波数の電気信号を出力しうる発振器
と、 前記カンチレバーの上下動をフィードバック制御するＺ
サーボ系と、 前記発振器の出力信号と前記Ｚサーボ系の出力信号とに
応答し前記カンチレバーおよび前記試料の各固有の共振
周波数の影響が実質的にない周波数で前記試料を振動さ
せるための加振装置とを具備し、 前記Ｚサーボ系は前記カンチレバーの前記試料に対する
接触圧が所定の大きさになったところで平衡を保つよう
にしたことを特徴とする走査プローブ顕微鏡。 - 【請求項９】 請求項８記載の走査プローブ顕微鏡にお
いて、 前記加振装置は前記試料を載置する多層ピエゾであるこ
とを特徴とする走査プローブ顕微鏡。 - 【請求項１０】 請求項８または９記載の走査プローブ
顕微鏡において、 前記試料を振動させる振動数を、前記カンチレバーと前
記試料とを接触させることにより生じる共振周波数とし
たことを特徴とする走査プローブ顕微鏡。 - 【請求項１１】 試料の表面にカンチレバーをあてて該
試料の表面の形状を測定する走査プローブ顕微鏡におい
て、 前記カンチレバーと前記試料とを接触させることにより
シフトした前記カンチレバーの新たな共振周波数の電気
信号を出力しうる発振器と、 前記カンチレバーの上下動をフィードバック制御するＺ
サーボ系と、 前記発振器の出力信号と前記Ｚサーボ系の出力信号とに
応答し前記試料を前記新たな共振周波数で振動させる加
振装置とを具備し、 前記Ｚサーボ系は前記カンチレバーの前記試料に対する
接触圧が所定の大きさになったところで平衡を保つよう
にしたことを特徴とする走査プローブ顕微鏡。 - 【請求項１２】 請求項１１記載の走査プローブ顕微鏡
において、 前記加振装置は前記試料を載置する多層ピエゾであるこ
とを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP02057899A JP3406236B2 (ja) | 1998-02-19 | 1999-01-28 | 走査プローブ顕微鏡の測定方法および装置 |
| DE19906591A DE19906591A1 (de) | 1998-02-19 | 1999-02-17 | Messverfahren und -gerät bei einem Sondenrastermikroskop |
| US09/252,397 US6499340B1 (en) | 1998-02-19 | 1999-02-18 | Scanning probe microscope and method of measuring geometry of sample surface with scanning probe microscope |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10-37352 | 1998-02-19 | ||
| JP3735298 | 1998-02-19 | ||
| JP02057899A JP3406236B2 (ja) | 1998-02-19 | 1999-01-28 | 走査プローブ顕微鏡の測定方法および装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11316243A JPH11316243A (ja) | 1999-11-16 |
| JP3406236B2 true JP3406236B2 (ja) | 2003-05-12 |
Family
ID=26357553
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP02057899A Expired - Lifetime JP3406236B2 (ja) | 1998-02-19 | 1999-01-28 | 走査プローブ顕微鏡の測定方法および装置 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6499340B1 (ja) |
| JP (1) | JP3406236B2 (ja) |
| DE (1) | DE19906591A1 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
| JP3917000B2 (ja) * | 2001-06-15 | 2007-05-23 | エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社 | プローブ走査装置 |
| US6630825B2 (en) | 2001-08-23 | 2003-10-07 | Lake Shore Cryotronics, Inc. | Electromechanical drive for magnetometers |
| US7107694B2 (en) * | 2004-06-29 | 2006-09-19 | Hysitron, Incorporated | Method for observation of microstructural surface features in heterogeneous materials |
| US7205237B2 (en) * | 2005-07-05 | 2007-04-17 | International Business Machines Corporation | Apparatus and method for selected site backside unlayering of si, GaAs, GaxAlyAszof SOI technologies for scanning probe microscopy and atomic force probing characterization |
| US7775086B2 (en) * | 2006-09-01 | 2010-08-17 | Ut-Battelle, Llc | Band excitation method applicable to scanning probe microscopy |
| JP7031851B2 (ja) * | 2017-12-27 | 2022-03-08 | 株式会社生体分子計測研究所 | 原子間力顕微鏡 |
Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| JP2732771B2 (ja) | 1992-08-07 | 1998-03-30 | デジタル インストゥルメンツ インコーポレイテッド | 超低力原子間力顕微鏡 |
| JP3235786B2 (ja) | 1998-06-30 | 2001-12-04 | 技術研究組合オングストロームテクノロジ研究機構 | 走査プローブの力制御方法 |
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| US5266801A (en) * | 1989-06-05 | 1993-11-30 | Digital Instruments, Inc. | Jumping probe microscope |
| USRE36488E (en) * | 1992-08-07 | 2000-01-11 | Veeco Instruments Inc. | Tapping atomic force microscope with phase or frequency detection |
| JP2500373B2 (ja) * | 1993-11-09 | 1996-05-29 | 工業技術院長 | 原子間力顕微鏡及び原子間力顕微鏡における試料観察方法 |
| JPH07140153A (ja) * | 1993-11-18 | 1995-06-02 | Olympus Optical Co Ltd | 走査型プローブ顕微鏡の振動除去手段及びその方法 |
| US5666190A (en) * | 1994-04-12 | 1997-09-09 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford, Jr. University | Method of performing lithography using cantilever array |
| JP2852397B2 (ja) * | 1994-11-15 | 1999-02-03 | 工業技術院長 | 原子間力顕微鏡および原子間力顕微鏡における摩擦の解析方法 |
| US5729015A (en) * | 1995-01-30 | 1998-03-17 | Olympus Optical Co., Ltd. | Position control system for scanning probe microscope |
| US5624845A (en) * | 1995-03-16 | 1997-04-29 | International Business Machines Corporation | Assembly and a method suitable for identifying a code |
| JPH10239329A (ja) * | 1997-02-27 | 1998-09-11 | Jeol Ltd | 走査プローブ顕微鏡 |
| US6172506B1 (en) * | 1997-07-15 | 2001-01-09 | Veeco Instruments Inc. | Capacitance atomic force microscopes and methods of operating such microscopes |
-
1999
- 1999-01-28 JP JP02057899A patent/JP3406236B2/ja not_active Expired - Lifetime
- 1999-02-17 DE DE19906591A patent/DE19906591A1/de not_active Withdrawn
- 1999-02-18 US US09/252,397 patent/US6499340B1/en not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2732771B2 (ja) | 1992-08-07 | 1998-03-30 | デジタル インストゥルメンツ インコーポレイテッド | 超低力原子間力顕微鏡 |
| JP3235786B2 (ja) | 1998-06-30 | 2001-12-04 | 技術研究組合オングストロームテクノロジ研究機構 | 走査プローブの力制御方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Ｐ．Ｍａｉｖａｌｄ ｅｔ ａｌ．"Ｕｓｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｔｏ ｉｍａｇｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｅｌａｓｔｉｃｉｔｉｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ"，Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｐｕｂｌｓｈｉｇ Ｌｔｄ．，１９９１年，第２巻，ｐ．１０３−１０６ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE19906591A1 (de) | 1999-08-26 |
| JPH11316243A (ja) | 1999-11-16 |
| US6499340B1 (en) | 2002-12-31 |
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