JP3608009B2 - 原子間力顕微鏡 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、微細な表面形状観察に利用可能な原子間力顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
走査プローブ顕微鏡は、被観察表面と探針との相互作用により生じる信号を帰還信号として、被観察表面と探針間の間隔を一定に保ちながら走査することにより、被観察表面にダメージを与えることなく、ナノメートルからサブナノメートルの高分解能にて表面観察が可能な顕微鏡である。
【０００３】
その中でも原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）は、非導電性表面に対しても、条件によっては原子分解能にて表面観察が可能であり、とりわけ注目されている。図６に、従来の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の概略構成（一例）を示す。
カンチレバー１０１は、Ｓｉから形成されており、先端に探針用の窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４） 針が作製されている。該カンチレバーは、基台１０２と同一部材にエッチング技術で作り付けてあり、基台１０２には、カンチレバー励振用圧電素子１０３が接着されている。
【０００４】
一方、観察用の試料１０４はＸ、Ｙ、Ｚ軸を独立で駆動可能な粗動ステージ（不図示）上の微動ステージ１０７上に保持されており、該ステージ１０７は４枚の圧電材料からなるアクチュエータにより、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向に独立に駆動することができる。
これら相互のＺ軸方向における変位は、以下の方法により制御されている。
【０００５】
カンチレバー１０１の先端部に向かって、上方のレーザー光源１０９からレーザー光を照射し、その先端部により反射された前記レーザー光を二分割フォトダイオード１０８により検出する。
この二分割フォトダイオード１０８の上下二つのフォトダイオードの信号は、カンチレバー先端部のたわみ量と等価であり、その信号をロックインアンプに入力し、フィードバックシステムを経由して微動ステージ１０７のＺ軸方向駆動用アクチュエータのフィードバック電圧として印加する。
【０００６】
このフィードバック電圧を帰還信号とすることで、試料表面とカンチレバーの探針とが常に同じ距離を保持するように制御することができる。
但し、以上の制御は、微動ステージ上の試料をＸ軸又はＹ軸方向にスキャンしながら実施される。なお、この方式のものは、いわゆる光テコ方式原子間力顕微鏡である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前記のように、微動ステージの位置決めのために使用する軸方向駆動用アクチュエータの帰還制御は、通常、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる、長さが数十ミリメートル程度のチューブ型アクチュエータを用いて行うのが一般的である。
【０００８】
しかしながら、このような従来方式の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）には、高速で帰還制御ができず、試料の表面形状の観察に時間が掛かり、操作性が悪いという欠点があった。
本発明者らは、原子間力顕微鏡の前記欠点を補うべく鋭意研究した結果、高速帰還制御をするためには、軸方向駆動用アクチュエータを含めたカンチレバーの質量が大きすぎる点を見いだした。
【０００９】
本発明の解決すべき課題（本発明の目的）は、軸方向駆動用アクチュエータを含めたカンチレバーの質量を減らして、高速な帰還制御を可能にすることにあり、且つ質量を減らすことにより発生する欠点を補う点にある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
そのため、本発明は、「試料台に保持された試料表面に近接させてカンチレバーの探針を２次元走査し、探針と試料表面との間の原子間力または距離に対応する信号を用いて試料表面の形状を観察する、いわゆる原子間力顕微鏡」を改良する。
【００１１】
本発明は、そのような「試料台に保持された試料表面に近接させてカンチレバーの探針を２次元走査し、探針と試料表面との間の原子間力または距離に対応する信号を用いて試料表面の形状を観察する、いわゆる原子間力顕微鏡」において、
（１）前記カンチレバー上に一対の電極に挟持された圧電膜を備え、該圧電膜は、前記電極に信号電圧が印加されると、逆圧電効果により前記カンチレバーを所定方向に変位させることができ、
更に、（２）前記試料台の移動機構、（３）前記カンチレバーを励振させる振動機構、（４）前記原子間力または距離に対応する信号を検出する検出系、（５）前記信号から試料表面の微細構造に対応する高周波信号成分と試料表面のうねりや傾き等に対応する低周波信号成分を分離する信号処理系、及び（６）前記高周波信号成分を高速帰還信号として前記電極に印加し、かつ（７）前記低周波信号成分を低速帰還信号として前記移動機構に印加する制御系を備えたことに特徴がある（請求項１）。
【００１２】
本発明は、また、「前記検出系が、前記カンチレバーに向けてレーザー光を照射する照射光学系、該カンチレバーからの反射光を受光するフォトセンサーを備え、該フォトセンサーからの信号を前記原子間力または距離に対応する信号として検出することを特徴とする請求項１記載の原子間力顕微鏡（請求項２）」を提供する。
【００１３】
本発明は、また、「前記検出系が、前記カンチレバー上に設けた圧電膜用電極からの信号を前記原子間力または距離に対応する信号として検出することを特徴とする請求項１記載の原子間力顕微鏡（請求項３）」を提供する。
本発明は、また、「前記カンチレバー上に設けた一対の圧電膜用電極の一方は、分割された複数の電極からなり、前記検出系は、該分割電極の一部からの信号を前記原子間力または距離に対応する信号として検出するすることを特徴とする請求項３記載の原子間力顕微鏡（請求項４）」を提供する。
【００１４】
本発明は、また、「前記制御系が、前記信号から分離された高周波信号成分を高速帰還信号として、前記圧電膜用電極の別の分割電極に印加することにより前記カンチレバーを所定方向に変位させることを特徴とする請求項３記載の原子間力顕微鏡（請求項５）」を提供する。
本発明は、また、「前記圧電膜が、前記電極に高速帰還信号が印加されると、逆圧電効果により前記カンチレバーを所定方向に変位させ、前記移動機構は、前記低速帰還信号が印加されると、前記試料台を所定方向に変位させることを特徴とする請求項１〜５記載の原子間力顕微鏡」（請求項６）を提供する。
【００１５】
本発明は、また、「前記移動機構が、前記カンチレバー上に設けた圧電膜よりも大型の圧電膜及び該圧電膜を挟持する一対の電極を備え、該電極に前記低速帰還信号が印加されると、逆圧電効果により前記試料台を所定方向に変位させることを特徴とする請求項６記載の原子間力顕微鏡（請求項７）」を提供する。
【００１６】
【作用】
従来の原子間力顕微鏡は、数十ミリメートルもある大型のアクチュエータとそれに付随したカンチレバーを高速で帰還制御することにより、試料表面とカンチレバー間の変位を制御しようとしたところに問題があったことを考慮して、本発明では、高速帰還制御が必要な所定方向（例えばＺ軸方向）への極微小駆動（極微小変位制御）に、カンチレバー上に設けた比較的小型の圧電薄膜（一対の電極により挟持されている）を使用した。
【００１７】
そのため、本発明によれば、所定方向（例えばＺ軸方向）への極微小駆動用圧電薄膜を含めたカンチレバーの質量が小さく、極微小駆動（高周波信号による極微小変位制御）の高速な帰還制御が可能となった。
なお、所定方向（例えばＺ軸方向）への極微小駆動では対応できない比較的大きな変位の制御（低周波信号による微小変位制御）には、従来と同様の大型アクチュエータ（試料台の移動機構の一例）を使用すればよい。
【００１８】
以下、本発明の一態様を示す（図１、２参照）。
シリコン単結晶ウエハの方向性を利用してエッチングにより作製されたカンチレバー上に、下部電極６、圧電薄膜７、上部電極８を形成して、本発明にかかるカンチレバー１とする。
該カンチレバー１の基台部２には、カンチレバー励振用の振動子（振動機構の一例）１０を取付け、該カンチレバー１を励振させる。
【００１９】
数十ミリメーターの大きさのＺ軸駆動用アクチュエター（試料台移動機構の一例）１１により駆動される微動ステージ（試料台の一例）上に保持した観察試料１４に近接させて２次元走査中の前記カンチレバー１上に、レーザー光源１６からレーザー光を照射し、反射したレーザー光を二分割フォトダイオード（検出系の一例）１５で検知する。
【００２０】
このフォトダイオード１５の信号を帰還信号（試料表面及び探針間の原子間力または距離に対応する信号）とし、信号処理系を用いて、該帰還信号を試料表面の微細構造に対応する高周波信号成分と、試料表面のうねりや傾き等に対応する低周波信号成分に分離する。
そして、制御系を用いて、高周波成分の信号をフィードバック電圧として前記圧電薄膜７の電極６、８に印加して高速処理を行うと共に、低周波成分の信号（例えば、大きなうねり信号）を前記Ｚ軸駆動用アクチュエータ（試料台移動機構の一例）１１に印加して、フィードバックをかける。
【００２１】
次に、本発明の別の態様を示す（図２、３参照）。この態様では、第１態様のカンチレバー１に設けた圧電薄膜７の電極８から帰還信号を得る。
該カンチレバー１は励振用振動子２０の励振周波数で駆動されており、前記圧電薄膜７の電極８からは、カンチレバー１の運動に応じた信号を得ることができる。そして、カンチレバー１の探針を試料１４の表面に近づけると、圧電薄膜７の電極８から、試料表面及び探針間の原子間力または距離に応じた変調信号を検出することができる。
【００２２】
従って、圧電薄膜７の電極８からの信号を帰還信号とすることが可能であり、この帰還信号の出力波形から高周波信号と低周波信号を抽出する。高周波信号は、圧電薄膜７の電極６、８にフィードバック電圧として印加し、低周波信号は、Ｚ軸駆動用アクチュエター（試料台移動機構の一例）２１に印加する。
なお、試料の狭い観察範囲における、試料表面の凹凸が小さい表面観察（計測）では、高周波の帰還信号によるカンチレバーの変位制御のみで十分であることは言うまでもない。
【００２３】
本態様においては、圧電薄膜の電極からの信号を帰還信号とするので、第１態様において使用したレーザー及び二分割フォトダイオードが不要となる。
次に、さらに別の態様を示す（図５参照）。この態様では、圧電薄膜３７の上部電極３９を複数の分割電極とする。
該複数の分割電極の少なくとも一つを帰還信号取り出し用の電極とし、他の分割電極は、前記帰還信号から抽出した高周波信号のフィードバック電圧を印加する電極として使用することで、高速の帰還処理を行う。また、前記帰還信号から抽出した低周波信号は、Ｚ軸駆動用アクチュエター（試料台移動機構の一例）にフィードバックする。
【００２４】
以上の態様では、カンチレバーの基台に振動子を取り付けてカンチレバーを励振させているが、前記圧電薄膜の分割電極の一部を用いてカンチレバーを励振させることもできる。
また、以上の態様は、本発明の例を示すものであり、本発明はこれらの態様に限定されるものではない。
【００２５】
前述したように、本発明にかかるカンチレバー上に形成された圧電薄膜は、一対の電極で挟まれた構造を成しており、カンチレバー振動機構（例えば、励振用振動子）により振動する。
ここで、カンチレバーの探針が試料表面から原子間力を受けると、カンチレバーの振幅と位相が変化する。それに伴って、カンチレバー上の圧電薄膜用電極から前記原子間力を反映した、探針及び試料表面間の距離に関する情報を得ることができる。即ち、従来のＡＦＭと同様な動作が可能である。
【００２６】
圧電薄膜用電極からの信号には、帰還制御により変化したカンチレバーの歪み信号も重畳するが、この信号は励振周波数よりも低周波であるため、分離することができる。この分離は、ロックインアンプのみで可能であるが、励振周波数付近のバンドパスフィルターを用いると、より安定した信号を得ることができるので好ましい。
【００２７】
試料表面の微細な形状変化による変調は、高周波成分として圧電薄膜の電極にフィードバックされる。そこで、該圧電薄膜に高周波信号と等価の電圧を印加して、カンチレバーを上下に変調成分を帳消しにするように高速に動かすことにより、表面の形状を高速に計測できる事になる。
また、試料表面の大きなうねりや試料表面が斜めになっている場合などは、低周波成分として変調される事になり、その部分を取り出してフィードバックを試料台移動機構（例えば、Ｚ軸駆動用アクチュエター）にかけることにより補正ができ、表面形状が測定できる。
【００２８】
圧電薄膜は、高周波信号の高速帰還にのみ使用しても良く、そのときは、高速の帰還信号を取り出すための機構（例えば光テコ）の利用が必要である。
カンチレバー上の電極は、リソグラフィ技術を用いて、１個のみならず複数個の分割電極に形成可能である。前述したように、その際は、少なくとも１つの分割電極を帰還信号の取り出し用として、他方の分割電極を高速帰還のフィードバック電圧印加用として使用すれば、圧電薄膜（及び電極）を信号取り出し用、及び高速な帰還駆動用として使用できる。
【００２９】
圧電薄膜としては、例えばＺｎＯ等が使用可能であるが、圧電定数の点で質のよいＰＺＴ膜が特に好ましい。
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。
【００３０】
【実施例１】
図１は本実施例のＡＦＭを示す概略構成図である。
ＡＦＭの測定原理は、Ｘ，Ｙ軸方向の走査中に、試料表面とカンチレバーの探針との間に作用する原子間力を一定にするようにカンチレバーをＺ軸方向に駆動させ、その際のＺ軸の変位を計測することにより、試料表面の形状を計測することにある。
【００３１】
本実施例で使用するカンチレバーを図２を用いてまず説明する。
カンチレバー１は基体部２から飛び出して（突出して）おり、いずれもシリコンの単結晶ウエハからエッチング技術を用いて作製される。
シリコン単結晶ウエハから作製されたカンチレバーシリコン基体３とシリコン基台４の上面に、窒化珪素（Ｓｉ３ Ｎ４ ）膜５をＣＶＤ法により形成する。その上に、下部電極として白金（Ｐｔ）膜６をスパッタリング法により形成し、さらにカンチレバーの上面全体とシリコン基台４のカンチレバー接続部に延長される一部に圧電薄膜（ＰＺＴ膜）７をスパッタリング法により形成する。
【００３２】
最後に、該圧電薄膜７上に上部電極８を、カンチレバーの長さ方向に平行となるように、略中央部に一本形成する。なお、カンチレバーシリコン基体３の先端部には、下向きに窒化珪素（Ｓｉ３ Ｎ４ ）の探針９を予め形成しておく。
作製されたカンチレバー１全体は、長さ０．８５ｍｍ、幅０．２ ｍｍ、厚さ２０μｍである。
【００３３】
図１において、カンチレバー１のシリコン基台２の下部には、励振用振動子
１０が貼り付けてある。励振用振動子１０は、両面に電極が形成され、厚み方向に分極処理を施した一枚の小型ＰＺＴ板１０である。このＰＺＴ板１０の電極に約４０ｋＨｚの周波数の電圧を印加し、ＰＺＴ板１０を励起させる事によりカンチレバー１を振動させる。
【００３４】
観察する試料１４は、Ｘ，Ｙ，Ｚの各軸方向に駆動可能な長さ約５０ｍｍのＰＺＴ中空アクチュエータ（Ｚ軸駆動用アクチュエータ）１１上の微動ステージ上に配置される。中空アクチュエーター１１は図示しない粗動ステージ上に配置され、該ステージはＸ，Ｙ，Ｚ軸を独立に駆動できるようになっている。
カンチレバー１のＸ軸、Ｙ軸方向の走査は、微動ステージを駆動させることで行う。中空アクチュエーター１１は通常、チューブスキャナーと呼ばれ、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の３次元の走査、位置決めが可能である。中空アクチュエーター１１は一般に、粗動ステージ上に配置され、このステージにより粗い位置決めをする。
【００３５】
カンチレバー１の先端部上面には、上方のレーザー光源１６からＨｅ−Ｎｅレーザー光が照射され、該先端部によって反射されたレーザー光は、二分割フォトダイオード１５に入射される。
前記したカンチレバー１のＺ軸方向の変位は、二分割フォトダイオード１５によって検知される。一方、二分割フォトダイオード１５からのＺ軸の変位に関する信号はロックインアンプに入力され、フィードバックシステムを経由してＺ軸方向の帰還信号として取り出される。
【００３６】
その帰還信号は、さらに試料１４の表面形状を示す信号のうち、微細構造を反映する高周波用信号と、表面のうねりや傾き等を反映する低周波用信号とに分離される。
高周波用信号は、微細な表面の構造に敏感に応答し、カンチレバー１上の圧電薄膜７を挟む電極６、８にフィードバック電圧として印加され、忠実に原子間力が同じになるように、即ち微細構造にならってカンチレバー１の先端針（探針）９が一定距離を確保するようにフィードバックされる。
【００３７】
一方、表面の大きい傾き等は、圧電薄膜７の変位では補正できないため、低周波信号としてＺ軸駆動用アクチュエータ１１の側面に形成された電極に印加され、傾きによっても探針９と試料表面の距離が一定になるように制御される。
Ｚ軸方向に駆動可能なＰＺＴ膜７を形成したカンチレバー１の質量は、Ｚ軸駆動用の中空アクチュエター１１を含んだ駆動系に比してまさに微々たるものであり、そのため、表面の微細な構造に関しては抜群の感度を示す。
【００３８】
しかし、ＰＺＴ膜７の電極６、８に電圧を印加して補正できる距離は、長さ
０．８５ｍｍのカンチレバーで１μｍ程度である。このため、表面の傾きや大きなうねり等により、この幅を超えてしまう場合には、これらの信号は低周波にてフィードバックすれば良いことから、該低周波信号をＺ軸駆動用アクチュエータ１１にフィードバックし、探針９と試料１４の間隔を補正する。
【００３９】
以上の原子間力顕微鏡により試料の被測定表面の微細構造を、長い距離に渡って高感度で計測する事ができる。
なお、２分割フォトダイオード１５の出力は、直流成分を検出可能なため、コンタクトモードに使用することが可能である。コンタクトモード時は、カンチレバーの共振周波数は表面との接触により、自由時から向上しＱ値も低減するので、さらに帰還帯域を広く取ることができる。よって、本発明の効果をさらに大きく用いることが可能である。
【００４０】
【実施例２】
図３に本実施例のＡＦＭ（概略構成）を示す。
実施例１では、カンチレバー１の変位（Ｚ軸方向）検出を、カンチレバー先端部にレーザー光を照射し、反射光を二分割フォトダイオード１５で受光する事により行ったが、本実施例は上記レーザー並びに受光素子（二分割フォトダイオード）を不要にした例である。
【００４１】
なお、カンチレバーには、実施例１と同じ構造のカンチレバー１を使用する。また、観察用の試料１４は、実施例１と同様に、Ｚ軸駆動用の中空アクチュエータ２１の上部の微動ステージ上に設置し、該中空アクチュエータ２１は、Ｘ−Ｙ面走査が可能な粗動ステージ（不図示）上に設置される。
励振用振動子２０により励振された状態にて、カンチレバー１の探針９が試料１４に近接すると、試料表面と探針９との間に原子間力が作用する。この状態においてＸ−Ｙ平面でカンチレバー１が走査されると、探針９と試料表面に働く原子間力が一定になるようにカンチレバーをＺ軸方向に駆動させ、その際のＺ軸方向の変位を計測する事により試料の表面形状を計測することができる。
【００４２】
カンチレバー（実施例１と同じ）１上に設けられた圧電薄膜７の上部電極８からの出力信号は、ロックインアンプ、フィードバックシステムを経由して帰還信号となし、該帰還信号を試料表面の微細構造に起因する高周波信号Ａと大きな「うねり」や傾きに起因する低周波信号Ｂに分離する。
この場合、上部電極８からは、（１）励振用振動子２０の振動（Z軸の変位）に起因する信号（４０ｋHz）と（２）帰還信号として上部電極８に入力させた高周波信号Ａが出力される（電極８が入出力共通なので当然出力される）が、前者（１）は４０ｋHzであるのに対して、後者（２）高周波信号Ａは最大２０ｋHzなので、前記ロックインアンプを通すことにより後者（２）を捨て前者（１）：４０ｋHz付近を取り出す。取り出された前者（１）４０ｋHz付近の例えば包絡線（振幅変調信号）が情報信号を含み、この情報信号を高周波信号Ａ（最大２０ｋHz）と低周波信号Ｂ（数十Ｈｚ）に分離する。
【００４３】
そして、高周波信号を電極６、８に印加することにより、カンチレバー１を高速で動作させ、表面形状に従って追従させる。また、低周波信号をＺ軸駆動用アクチュエータ２１の側面電極に印加することにより、Ｚ軸方向に変位させて、うねり、傾きを補正することができる。
以上のように、本実施例ではレーザー及び受光素子の光学系が不要となり、構造が非常に簡単になる。また、本実施例において、カンチレバー１に設けたＰＺＴ膜７は、大きな出力が得ることができる。そのため、高価なロックインアンプに替えて、構成が簡単なダイオードによる整流回路を用いることができる。
【００４４】
【実施例３】
図４は本実施例のＡＦＭ（概略構成）である。この実施例も、Ｚ軸方向の変位を光学的なセンサーを用いないで、カンチレバー３１上の電極からの信号として得る方法である。
本実施例で使用するカンチレバー３１を図５を用いて説明する。
【００４５】
カンチレバー３１は、基台３２から飛び出した（突出した）構造をしており、各基体３３、３４は、シリコン単結晶ウエハからエッチング技術を用いて作製される。
同技術により作製した基体３３、３４上に、窒化珪素（Ｓｉ３ Ｎ４ ）膜３５をＣＶＤ法により形成し、該膜３５上に下部電極膜３６として白金（Ｐｔ）膜をスパッタリング法により形成する。
【００４６】
さらにその上のカンチレバー３１の全面及び基台３４のカンチレバーとの接続部から延長される一部に、圧電薄膜（ＺｎＯ膜）３７をスパッタリング法により形成する。そして、該ＺｎＯ膜３７上に、互いに平行に且つカンチレバー３１の長さ方向に対して平行に、二本の電極３８、３９を形成する。
なお、前実施例と同様に、カンチレバー３１の先端下部には窒化珪素（Ｓｉ３ Ｎ４ ）による探針４０を予め形成しておく。作製したカンチレバー３１の大きさは、前実施例と同じく、長さ０．８５ｍｍ、幅０．２ ｍｍ、厚み２０μｍである。
【００４７】
また、前実施例と同様に、カンチレバー基台３４の下には、一対の電極により挟持し、かつ厚み方向に分極処理を施した一枚の小型ＰＺＴ板３０を貼り付け、該ＰＺＴ板３０の電極に周波数が約４０ｋＨｚの電圧を印加することにより、ＰＺＴ板３０を励起振動させてカンチレバー３１を振動させる。
観察用試料は、Ｚ軸方向に駆動可能な長さ約５０ｍｍのＰＺＴ中空アクチュエータ４１の微動ステージ上に配置される。微動ステージは、さらに粗動ステージ（不図示）上に配置され、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の駆動が可能になっている。カンチレバー３１のＸ−Ｙ走査は、前記粗動ステージを駆動させる事により実施する。
【００４８】
ＡＦＭの測定原理は、前実施例と同じであり、Ｘ−Ｙ走査中に探針４０と試料表面に働く原子間力が一定になるようにカンチレバー３１をＺ軸方向に駆動させ、その際のＺ軸方向の変位を計測する事により試料の表面形状を計測する。
本実施例において、カンチレバー３１に設けた（形成した）ＺｎＯ膜上の上部電極のうち、電極３８は帰還信号の取り出し用とし、電極３９は高周波信号のフィードバック電圧の印加用とし、この電圧印加によりＺ軸方向に高速で変位させる。 電極３８より入手した信号は、ロックインアンプ、フィードバックシステムを経由して帰還信号となし、該帰還信号を試料表面の微細構造に起因する高周波信号と、大きなうねりや傾きに起因する低周波信号に分別する。
【００４９】
そして、高周波信号を電極３８に印加することにより、カンチレバー３１を高速にで動作させ、表面形状に従って追従させる。また、低周波信号をＺ軸駆動用アクチュエータ４１の側面電極に印加することによりＺ方向に変位させて、うねり、傾きを補正する。
本実施例では実施例２と同様に、レーザー及び受光素子の光学系が不要となり、構造が非常に簡単になる。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、試料表面の微細構造に起因する形状測定を、帰還信号に基づいてカンチレバー上の圧電薄膜を駆動させることにより、カンチレバーを高速動作させて行うことができる。従って、産業界において、走査型プローブ顕微鏡の測定時間短縮が大きな課題であったが、本発明はこれに大きく貢献する。
【００５１】
更に、本発明によれば、帰還信号にカンチレバーの圧電薄膜の電極からの信号を用いる事により、光学的方法等の計測装置が不要になり、原子間力顕微鏡自体の構造を簡単にする事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１のＡＦＭを示す概略構成図。
【図２】実施例１において使用されるカンチレバーの構造を示す斜視図。
【図３】実施例２のＡＦＭを示す概略構成図。
【図４】実施例３のＡＦＭを示す概略構成図。
【図５】実施例３において使用されるカンチレバーの構造を示す斜視図。
【図６】従来のＡＦＭを示す概略構成図。
【符号の説明】
１、３１、１０１ カンチレバー
２、３２、１０２ カンチレバー基台
３、３３ カンチレバーシリコン基体
４、３４ シリコン基台
５、３５ 窒化珪素膜（可とう性膜の一例）
６、３６ 下部電極
７、３７ 圧電薄膜
８、３８、３９ 上部電極
９、４０ 探針
１０、２０、３０、１０３ 励振用振動子（カンチレバー振動機構の一例）
１１、２１、４１ Ｚ軸駆動用アクチュエータ（チューブスキャナー、試料台移動機構の一例）
１４、１０４ 試料
１５、１０８ 二分割フォトダイオード（検出系の一例）
１６、１０９ レーザー光源（検出系の一例）
以 上
【産業上の利用分野】
本発明は、微細な表面形状観察に利用可能な原子間力顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
走査プローブ顕微鏡は、被観察表面と探針との相互作用により生じる信号を帰還信号として、被観察表面と探針間の間隔を一定に保ちながら走査することにより、被観察表面にダメージを与えることなく、ナノメートルからサブナノメートルの高分解能にて表面観察が可能な顕微鏡である。
【０００３】
その中でも原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）は、非導電性表面に対しても、条件によっては原子分解能にて表面観察が可能であり、とりわけ注目されている。図６に、従来の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の概略構成（一例）を示す。
カンチレバー１０１は、Ｓｉから形成されており、先端に探針用の窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４） 針が作製されている。該カンチレバーは、基台１０２と同一部材にエッチング技術で作り付けてあり、基台１０２には、カンチレバー励振用圧電素子１０３が接着されている。
【０００４】
一方、観察用の試料１０４はＸ、Ｙ、Ｚ軸を独立で駆動可能な粗動ステージ（不図示）上の微動ステージ１０７上に保持されており、該ステージ１０７は４枚の圧電材料からなるアクチュエータにより、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向に独立に駆動することができる。
これら相互のＺ軸方向における変位は、以下の方法により制御されている。
【０００５】
カンチレバー１０１の先端部に向かって、上方のレーザー光源１０９からレーザー光を照射し、その先端部により反射された前記レーザー光を二分割フォトダイオード１０８により検出する。
この二分割フォトダイオード１０８の上下二つのフォトダイオードの信号は、カンチレバー先端部のたわみ量と等価であり、その信号をロックインアンプに入力し、フィードバックシステムを経由して微動ステージ１０７のＺ軸方向駆動用アクチュエータのフィードバック電圧として印加する。
【０００６】
このフィードバック電圧を帰還信号とすることで、試料表面とカンチレバーの探針とが常に同じ距離を保持するように制御することができる。
但し、以上の制御は、微動ステージ上の試料をＸ軸又はＹ軸方向にスキャンしながら実施される。なお、この方式のものは、いわゆる光テコ方式原子間力顕微鏡である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前記のように、微動ステージの位置決めのために使用する軸方向駆動用アクチュエータの帰還制御は、通常、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる、長さが数十ミリメートル程度のチューブ型アクチュエータを用いて行うのが一般的である。
【０００８】
しかしながら、このような従来方式の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）には、高速で帰還制御ができず、試料の表面形状の観察に時間が掛かり、操作性が悪いという欠点があった。
本発明者らは、原子間力顕微鏡の前記欠点を補うべく鋭意研究した結果、高速帰還制御をするためには、軸方向駆動用アクチュエータを含めたカンチレバーの質量が大きすぎる点を見いだした。
【０００９】
本発明の解決すべき課題（本発明の目的）は、軸方向駆動用アクチュエータを含めたカンチレバーの質量を減らして、高速な帰還制御を可能にすることにあり、且つ質量を減らすことにより発生する欠点を補う点にある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
そのため、本発明は、「試料台に保持された試料表面に近接させてカンチレバーの探針を２次元走査し、探針と試料表面との間の原子間力または距離に対応する信号を用いて試料表面の形状を観察する、いわゆる原子間力顕微鏡」を改良する。
【００１１】
本発明は、そのような「試料台に保持された試料表面に近接させてカンチレバーの探針を２次元走査し、探針と試料表面との間の原子間力または距離に対応する信号を用いて試料表面の形状を観察する、いわゆる原子間力顕微鏡」において、
（１）前記カンチレバー上に一対の電極に挟持された圧電膜を備え、該圧電膜は、前記電極に信号電圧が印加されると、逆圧電効果により前記カンチレバーを所定方向に変位させることができ、
更に、（２）前記試料台の移動機構、（３）前記カンチレバーを励振させる振動機構、（４）前記原子間力または距離に対応する信号を検出する検出系、（５）前記信号から試料表面の微細構造に対応する高周波信号成分と試料表面のうねりや傾き等に対応する低周波信号成分を分離する信号処理系、及び（６）前記高周波信号成分を高速帰還信号として前記電極に印加し、かつ（７）前記低周波信号成分を低速帰還信号として前記移動機構に印加する制御系を備えたことに特徴がある（請求項１）。
【００１２】
本発明は、また、「前記検出系が、前記カンチレバーに向けてレーザー光を照射する照射光学系、該カンチレバーからの反射光を受光するフォトセンサーを備え、該フォトセンサーからの信号を前記原子間力または距離に対応する信号として検出することを特徴とする請求項１記載の原子間力顕微鏡（請求項２）」を提供する。
【００１３】
本発明は、また、「前記検出系が、前記カンチレバー上に設けた圧電膜用電極からの信号を前記原子間力または距離に対応する信号として検出することを特徴とする請求項１記載の原子間力顕微鏡（請求項３）」を提供する。
本発明は、また、「前記カンチレバー上に設けた一対の圧電膜用電極の一方は、分割された複数の電極からなり、前記検出系は、該分割電極の一部からの信号を前記原子間力または距離に対応する信号として検出するすることを特徴とする請求項３記載の原子間力顕微鏡（請求項４）」を提供する。
【００１４】
本発明は、また、「前記制御系が、前記信号から分離された高周波信号成分を高速帰還信号として、前記圧電膜用電極の別の分割電極に印加することにより前記カンチレバーを所定方向に変位させることを特徴とする請求項３記載の原子間力顕微鏡（請求項５）」を提供する。
本発明は、また、「前記圧電膜が、前記電極に高速帰還信号が印加されると、逆圧電効果により前記カンチレバーを所定方向に変位させ、前記移動機構は、前記低速帰還信号が印加されると、前記試料台を所定方向に変位させることを特徴とする請求項１〜５記載の原子間力顕微鏡」（請求項６）を提供する。
【００１５】
本発明は、また、「前記移動機構が、前記カンチレバー上に設けた圧電膜よりも大型の圧電膜及び該圧電膜を挟持する一対の電極を備え、該電極に前記低速帰還信号が印加されると、逆圧電効果により前記試料台を所定方向に変位させることを特徴とする請求項６記載の原子間力顕微鏡（請求項７）」を提供する。
【００１６】
【作用】
従来の原子間力顕微鏡は、数十ミリメートルもある大型のアクチュエータとそれに付随したカンチレバーを高速で帰還制御することにより、試料表面とカンチレバー間の変位を制御しようとしたところに問題があったことを考慮して、本発明では、高速帰還制御が必要な所定方向（例えばＺ軸方向）への極微小駆動（極微小変位制御）に、カンチレバー上に設けた比較的小型の圧電薄膜（一対の電極により挟持されている）を使用した。
【００１７】
そのため、本発明によれば、所定方向（例えばＺ軸方向）への極微小駆動用圧電薄膜を含めたカンチレバーの質量が小さく、極微小駆動（高周波信号による極微小変位制御）の高速な帰還制御が可能となった。
なお、所定方向（例えばＺ軸方向）への極微小駆動では対応できない比較的大きな変位の制御（低周波信号による微小変位制御）には、従来と同様の大型アクチュエータ（試料台の移動機構の一例）を使用すればよい。
【００１８】
以下、本発明の一態様を示す（図１、２参照）。
シリコン単結晶ウエハの方向性を利用してエッチングにより作製されたカンチレバー上に、下部電極６、圧電薄膜７、上部電極８を形成して、本発明にかかるカンチレバー１とする。
該カンチレバー１の基台部２には、カンチレバー励振用の振動子（振動機構の一例）１０を取付け、該カンチレバー１を励振させる。
【００１９】
数十ミリメーターの大きさのＺ軸駆動用アクチュエター（試料台移動機構の一例）１１により駆動される微動ステージ（試料台の一例）上に保持した観察試料１４に近接させて２次元走査中の前記カンチレバー１上に、レーザー光源１６からレーザー光を照射し、反射したレーザー光を二分割フォトダイオード（検出系の一例）１５で検知する。
【００２０】
このフォトダイオード１５の信号を帰還信号（試料表面及び探針間の原子間力または距離に対応する信号）とし、信号処理系を用いて、該帰還信号を試料表面の微細構造に対応する高周波信号成分と、試料表面のうねりや傾き等に対応する低周波信号成分に分離する。
そして、制御系を用いて、高周波成分の信号をフィードバック電圧として前記圧電薄膜７の電極６、８に印加して高速処理を行うと共に、低周波成分の信号（例えば、大きなうねり信号）を前記Ｚ軸駆動用アクチュエータ（試料台移動機構の一例）１１に印加して、フィードバックをかける。
【００２１】
次に、本発明の別の態様を示す（図２、３参照）。この態様では、第１態様のカンチレバー１に設けた圧電薄膜７の電極８から帰還信号を得る。
該カンチレバー１は励振用振動子２０の励振周波数で駆動されており、前記圧電薄膜７の電極８からは、カンチレバー１の運動に応じた信号を得ることができる。そして、カンチレバー１の探針を試料１４の表面に近づけると、圧電薄膜７の電極８から、試料表面及び探針間の原子間力または距離に応じた変調信号を検出することができる。
【００２２】
従って、圧電薄膜７の電極８からの信号を帰還信号とすることが可能であり、この帰還信号の出力波形から高周波信号と低周波信号を抽出する。高周波信号は、圧電薄膜７の電極６、８にフィードバック電圧として印加し、低周波信号は、Ｚ軸駆動用アクチュエター（試料台移動機構の一例）２１に印加する。
なお、試料の狭い観察範囲における、試料表面の凹凸が小さい表面観察（計測）では、高周波の帰還信号によるカンチレバーの変位制御のみで十分であることは言うまでもない。
【００２３】
本態様においては、圧電薄膜の電極からの信号を帰還信号とするので、第１態様において使用したレーザー及び二分割フォトダイオードが不要となる。
次に、さらに別の態様を示す（図５参照）。この態様では、圧電薄膜３７の上部電極３９を複数の分割電極とする。
該複数の分割電極の少なくとも一つを帰還信号取り出し用の電極とし、他の分割電極は、前記帰還信号から抽出した高周波信号のフィードバック電圧を印加する電極として使用することで、高速の帰還処理を行う。また、前記帰還信号から抽出した低周波信号は、Ｚ軸駆動用アクチュエター（試料台移動機構の一例）にフィードバックする。
【００２４】
以上の態様では、カンチレバーの基台に振動子を取り付けてカンチレバーを励振させているが、前記圧電薄膜の分割電極の一部を用いてカンチレバーを励振させることもできる。
また、以上の態様は、本発明の例を示すものであり、本発明はこれらの態様に限定されるものではない。
【００２５】
前述したように、本発明にかかるカンチレバー上に形成された圧電薄膜は、一対の電極で挟まれた構造を成しており、カンチレバー振動機構（例えば、励振用振動子）により振動する。
ここで、カンチレバーの探針が試料表面から原子間力を受けると、カンチレバーの振幅と位相が変化する。それに伴って、カンチレバー上の圧電薄膜用電極から前記原子間力を反映した、探針及び試料表面間の距離に関する情報を得ることができる。即ち、従来のＡＦＭと同様な動作が可能である。
【００２６】
圧電薄膜用電極からの信号には、帰還制御により変化したカンチレバーの歪み信号も重畳するが、この信号は励振周波数よりも低周波であるため、分離することができる。この分離は、ロックインアンプのみで可能であるが、励振周波数付近のバンドパスフィルターを用いると、より安定した信号を得ることができるので好ましい。
【００２７】
試料表面の微細な形状変化による変調は、高周波成分として圧電薄膜の電極にフィードバックされる。そこで、該圧電薄膜に高周波信号と等価の電圧を印加して、カンチレバーを上下に変調成分を帳消しにするように高速に動かすことにより、表面の形状を高速に計測できる事になる。
また、試料表面の大きなうねりや試料表面が斜めになっている場合などは、低周波成分として変調される事になり、その部分を取り出してフィードバックを試料台移動機構（例えば、Ｚ軸駆動用アクチュエター）にかけることにより補正ができ、表面形状が測定できる。
【００２８】
圧電薄膜は、高周波信号の高速帰還にのみ使用しても良く、そのときは、高速の帰還信号を取り出すための機構（例えば光テコ）の利用が必要である。
カンチレバー上の電極は、リソグラフィ技術を用いて、１個のみならず複数個の分割電極に形成可能である。前述したように、その際は、少なくとも１つの分割電極を帰還信号の取り出し用として、他方の分割電極を高速帰還のフィードバック電圧印加用として使用すれば、圧電薄膜（及び電極）を信号取り出し用、及び高速な帰還駆動用として使用できる。
【００２９】
圧電薄膜としては、例えばＺｎＯ等が使用可能であるが、圧電定数の点で質のよいＰＺＴ膜が特に好ましい。
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。
【００３０】
【実施例１】
図１は本実施例のＡＦＭを示す概略構成図である。
ＡＦＭの測定原理は、Ｘ，Ｙ軸方向の走査中に、試料表面とカンチレバーの探針との間に作用する原子間力を一定にするようにカンチレバーをＺ軸方向に駆動させ、その際のＺ軸の変位を計測することにより、試料表面の形状を計測することにある。
【００３１】
本実施例で使用するカンチレバーを図２を用いてまず説明する。
カンチレバー１は基体部２から飛び出して（突出して）おり、いずれもシリコンの単結晶ウエハからエッチング技術を用いて作製される。
シリコン単結晶ウエハから作製されたカンチレバーシリコン基体３とシリコン基台４の上面に、窒化珪素（Ｓｉ３ Ｎ４ ）膜５をＣＶＤ法により形成する。その上に、下部電極として白金（Ｐｔ）膜６をスパッタリング法により形成し、さらにカンチレバーの上面全体とシリコン基台４のカンチレバー接続部に延長される一部に圧電薄膜（ＰＺＴ膜）７をスパッタリング法により形成する。
【００３２】
最後に、該圧電薄膜７上に上部電極８を、カンチレバーの長さ方向に平行となるように、略中央部に一本形成する。なお、カンチレバーシリコン基体３の先端部には、下向きに窒化珪素（Ｓｉ３ Ｎ４ ）の探針９を予め形成しておく。
作製されたカンチレバー１全体は、長さ０．８５ｍｍ、幅０．２ ｍｍ、厚さ２０μｍである。
【００３３】
図１において、カンチレバー１のシリコン基台２の下部には、励振用振動子
１０が貼り付けてある。励振用振動子１０は、両面に電極が形成され、厚み方向に分極処理を施した一枚の小型ＰＺＴ板１０である。このＰＺＴ板１０の電極に約４０ｋＨｚの周波数の電圧を印加し、ＰＺＴ板１０を励起させる事によりカンチレバー１を振動させる。
【００３４】
観察する試料１４は、Ｘ，Ｙ，Ｚの各軸方向に駆動可能な長さ約５０ｍｍのＰＺＴ中空アクチュエータ（Ｚ軸駆動用アクチュエータ）１１上の微動ステージ上に配置される。中空アクチュエーター１１は図示しない粗動ステージ上に配置され、該ステージはＸ，Ｙ，Ｚ軸を独立に駆動できるようになっている。
カンチレバー１のＸ軸、Ｙ軸方向の走査は、微動ステージを駆動させることで行う。中空アクチュエーター１１は通常、チューブスキャナーと呼ばれ、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の３次元の走査、位置決めが可能である。中空アクチュエーター１１は一般に、粗動ステージ上に配置され、このステージにより粗い位置決めをする。
【００３５】
カンチレバー１の先端部上面には、上方のレーザー光源１６からＨｅ−Ｎｅレーザー光が照射され、該先端部によって反射されたレーザー光は、二分割フォトダイオード１５に入射される。
前記したカンチレバー１のＺ軸方向の変位は、二分割フォトダイオード１５によって検知される。一方、二分割フォトダイオード１５からのＺ軸の変位に関する信号はロックインアンプに入力され、フィードバックシステムを経由してＺ軸方向の帰還信号として取り出される。
【００３６】
その帰還信号は、さらに試料１４の表面形状を示す信号のうち、微細構造を反映する高周波用信号と、表面のうねりや傾き等を反映する低周波用信号とに分離される。
高周波用信号は、微細な表面の構造に敏感に応答し、カンチレバー１上の圧電薄膜７を挟む電極６、８にフィードバック電圧として印加され、忠実に原子間力が同じになるように、即ち微細構造にならってカンチレバー１の先端針（探針）９が一定距離を確保するようにフィードバックされる。
【００３７】
一方、表面の大きい傾き等は、圧電薄膜７の変位では補正できないため、低周波信号としてＺ軸駆動用アクチュエータ１１の側面に形成された電極に印加され、傾きによっても探針９と試料表面の距離が一定になるように制御される。
Ｚ軸方向に駆動可能なＰＺＴ膜７を形成したカンチレバー１の質量は、Ｚ軸駆動用の中空アクチュエター１１を含んだ駆動系に比してまさに微々たるものであり、そのため、表面の微細な構造に関しては抜群の感度を示す。
【００３８】
しかし、ＰＺＴ膜７の電極６、８に電圧を印加して補正できる距離は、長さ
０．８５ｍｍのカンチレバーで１μｍ程度である。このため、表面の傾きや大きなうねり等により、この幅を超えてしまう場合には、これらの信号は低周波にてフィードバックすれば良いことから、該低周波信号をＺ軸駆動用アクチュエータ１１にフィードバックし、探針９と試料１４の間隔を補正する。
【００３９】
以上の原子間力顕微鏡により試料の被測定表面の微細構造を、長い距離に渡って高感度で計測する事ができる。
なお、２分割フォトダイオード１５の出力は、直流成分を検出可能なため、コンタクトモードに使用することが可能である。コンタクトモード時は、カンチレバーの共振周波数は表面との接触により、自由時から向上しＱ値も低減するので、さらに帰還帯域を広く取ることができる。よって、本発明の効果をさらに大きく用いることが可能である。
【００４０】
【実施例２】
図３に本実施例のＡＦＭ（概略構成）を示す。
実施例１では、カンチレバー１の変位（Ｚ軸方向）検出を、カンチレバー先端部にレーザー光を照射し、反射光を二分割フォトダイオード１５で受光する事により行ったが、本実施例は上記レーザー並びに受光素子（二分割フォトダイオード）を不要にした例である。
【００４１】
なお、カンチレバーには、実施例１と同じ構造のカンチレバー１を使用する。また、観察用の試料１４は、実施例１と同様に、Ｚ軸駆動用の中空アクチュエータ２１の上部の微動ステージ上に設置し、該中空アクチュエータ２１は、Ｘ−Ｙ面走査が可能な粗動ステージ（不図示）上に設置される。
励振用振動子２０により励振された状態にて、カンチレバー１の探針９が試料１４に近接すると、試料表面と探針９との間に原子間力が作用する。この状態においてＸ−Ｙ平面でカンチレバー１が走査されると、探針９と試料表面に働く原子間力が一定になるようにカンチレバーをＺ軸方向に駆動させ、その際のＺ軸方向の変位を計測する事により試料の表面形状を計測することができる。
【００４２】
カンチレバー（実施例１と同じ）１上に設けられた圧電薄膜７の上部電極８からの出力信号は、ロックインアンプ、フィードバックシステムを経由して帰還信号となし、該帰還信号を試料表面の微細構造に起因する高周波信号Ａと大きな「うねり」や傾きに起因する低周波信号Ｂに分離する。
この場合、上部電極８からは、（１）励振用振動子２０の振動（Z軸の変位）に起因する信号（４０ｋHz）と（２）帰還信号として上部電極８に入力させた高周波信号Ａが出力される（電極８が入出力共通なので当然出力される）が、前者（１）は４０ｋHzであるのに対して、後者（２）高周波信号Ａは最大２０ｋHzなので、前記ロックインアンプを通すことにより後者（２）を捨て前者（１）：４０ｋHz付近を取り出す。取り出された前者（１）４０ｋHz付近の例えば包絡線（振幅変調信号）が情報信号を含み、この情報信号を高周波信号Ａ（最大２０ｋHz）と低周波信号Ｂ（数十Ｈｚ）に分離する。
【００４３】
そして、高周波信号を電極６、８に印加することにより、カンチレバー１を高速で動作させ、表面形状に従って追従させる。また、低周波信号をＺ軸駆動用アクチュエータ２１の側面電極に印加することにより、Ｚ軸方向に変位させて、うねり、傾きを補正することができる。
以上のように、本実施例ではレーザー及び受光素子の光学系が不要となり、構造が非常に簡単になる。また、本実施例において、カンチレバー１に設けたＰＺＴ膜７は、大きな出力が得ることができる。そのため、高価なロックインアンプに替えて、構成が簡単なダイオードによる整流回路を用いることができる。
【００４４】
【実施例３】
図４は本実施例のＡＦＭ（概略構成）である。この実施例も、Ｚ軸方向の変位を光学的なセンサーを用いないで、カンチレバー３１上の電極からの信号として得る方法である。
本実施例で使用するカンチレバー３１を図５を用いて説明する。
【００４５】
カンチレバー３１は、基台３２から飛び出した（突出した）構造をしており、各基体３３、３４は、シリコン単結晶ウエハからエッチング技術を用いて作製される。
同技術により作製した基体３３、３４上に、窒化珪素（Ｓｉ３ Ｎ４ ）膜３５をＣＶＤ法により形成し、該膜３５上に下部電極膜３６として白金（Ｐｔ）膜をスパッタリング法により形成する。
【００４６】
さらにその上のカンチレバー３１の全面及び基台３４のカンチレバーとの接続部から延長される一部に、圧電薄膜（ＺｎＯ膜）３７をスパッタリング法により形成する。そして、該ＺｎＯ膜３７上に、互いに平行に且つカンチレバー３１の長さ方向に対して平行に、二本の電極３８、３９を形成する。
なお、前実施例と同様に、カンチレバー３１の先端下部には窒化珪素（Ｓｉ３ Ｎ４ ）による探針４０を予め形成しておく。作製したカンチレバー３１の大きさは、前実施例と同じく、長さ０．８５ｍｍ、幅０．２ ｍｍ、厚み２０μｍである。
【００４７】
また、前実施例と同様に、カンチレバー基台３４の下には、一対の電極により挟持し、かつ厚み方向に分極処理を施した一枚の小型ＰＺＴ板３０を貼り付け、該ＰＺＴ板３０の電極に周波数が約４０ｋＨｚの電圧を印加することにより、ＰＺＴ板３０を励起振動させてカンチレバー３１を振動させる。
観察用試料は、Ｚ軸方向に駆動可能な長さ約５０ｍｍのＰＺＴ中空アクチュエータ４１の微動ステージ上に配置される。微動ステージは、さらに粗動ステージ（不図示）上に配置され、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の駆動が可能になっている。カンチレバー３１のＸ−Ｙ走査は、前記粗動ステージを駆動させる事により実施する。
【００４８】
ＡＦＭの測定原理は、前実施例と同じであり、Ｘ−Ｙ走査中に探針４０と試料表面に働く原子間力が一定になるようにカンチレバー３１をＺ軸方向に駆動させ、その際のＺ軸方向の変位を計測する事により試料の表面形状を計測する。
本実施例において、カンチレバー３１に設けた（形成した）ＺｎＯ膜上の上部電極のうち、電極３８は帰還信号の取り出し用とし、電極３９は高周波信号のフィードバック電圧の印加用とし、この電圧印加によりＺ軸方向に高速で変位させる。 電極３８より入手した信号は、ロックインアンプ、フィードバックシステムを経由して帰還信号となし、該帰還信号を試料表面の微細構造に起因する高周波信号と、大きなうねりや傾きに起因する低周波信号に分別する。
【００４９】
そして、高周波信号を電極３８に印加することにより、カンチレバー３１を高速にで動作させ、表面形状に従って追従させる。また、低周波信号をＺ軸駆動用アクチュエータ４１の側面電極に印加することによりＺ方向に変位させて、うねり、傾きを補正する。
本実施例では実施例２と同様に、レーザー及び受光素子の光学系が不要となり、構造が非常に簡単になる。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、試料表面の微細構造に起因する形状測定を、帰還信号に基づいてカンチレバー上の圧電薄膜を駆動させることにより、カンチレバーを高速動作させて行うことができる。従って、産業界において、走査型プローブ顕微鏡の測定時間短縮が大きな課題であったが、本発明はこれに大きく貢献する。
【００５１】
更に、本発明によれば、帰還信号にカンチレバーの圧電薄膜の電極からの信号を用いる事により、光学的方法等の計測装置が不要になり、原子間力顕微鏡自体の構造を簡単にする事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１のＡＦＭを示す概略構成図。
【図２】実施例１において使用されるカンチレバーの構造を示す斜視図。
【図３】実施例２のＡＦＭを示す概略構成図。
【図４】実施例３のＡＦＭを示す概略構成図。
【図５】実施例３において使用されるカンチレバーの構造を示す斜視図。
【図６】従来のＡＦＭを示す概略構成図。
【符号の説明】
１、３１、１０１ カンチレバー
２、３２、１０２ カンチレバー基台
３、３３ カンチレバーシリコン基体
４、３４ シリコン基台
５、３５ 窒化珪素膜（可とう性膜の一例）
６、３６ 下部電極
７、３７ 圧電薄膜
８、３８、３９ 上部電極
９、４０ 探針
１０、２０、３０、１０３ 励振用振動子（カンチレバー振動機構の一例）
１１、２１、４１ Ｚ軸駆動用アクチュエータ（チューブスキャナー、試料台移動機構の一例）
１４、１０４ 試料
１５、１０８ 二分割フォトダイオード（検出系の一例）
１６、１０９ レーザー光源（検出系の一例）
以 上
Claims (7)
- 試料台に保持された試料表面に近接させてカンチレバーの探針を２次元走査し、探針と試料表面との間の原子間力または距離に対応する信号を用いて試料表面の形状を観察する、いわゆる原子間力顕微鏡において、
（１）前記カンチレバー上に一対の電極に挟持された圧電膜を備え、該圧電膜は、前記電極に信号電圧が印加されると、逆圧電効果により前記カンチレバーを所定方向に変位させることができ、
更に、（２）前記試料台の移動機構、（３）前記カンチレバーを励振させる振動機構、（４）前記原子間力または距離に対応する信号を検出する検出系、（５）前記信号から試料表面の微細構造に対応する高周波信号成分と試料表面のうねりや傾き等に対応する低周波信号成分を分離する信号処理系、及び（６）前記高周波信号成分を高速帰還信号として前記電極に印加し、かつ（７）前記低周波信号成分を低速帰還信号として前記移動機構に印加する制御系を備えたことを特徴とする原子間力顕微鏡。 - 前記検出系は、前記カンチレバーに向けてレーザー光を照射する照射光学系、該カンチレバーからの反射光を受光するフォトセンサーを備え、該フォトセンサーからの信号を前記原子間力または距離に対応する信号として検出することを特徴とする請求項１記載の原子間力顕微鏡。
- 前記検出系は、前記カンチレバー上に設けた圧電膜用電極からの信号を前記原子間力または距離に対応する信号として検出することを特徴とする請求項１記載の原子間力顕微鏡。
- 前記カンチレバー上に設けた一対の圧電膜用電極の一方は、分割された複数の電極からなり、前記検出系は、該分割電極の一部からの信号を前記原子間力または距離に対応する信号として検出することを特徴とする請求項３記載の原子間力顕微鏡。
- 前記制御系は、前記信号から分離された高周波信号成分を高速帰還信号として、前記圧電膜用電極の別の分割電極に印加することにより前記カンチレバーを所定方向に変位させることを特徴とする請求項４記載の原子間力顕微鏡。
- 前記圧電膜は、前記電極に高速帰還信号が印加されると、逆圧電効果により前記カンチレバーを所定方向に変位させ、前記移動機構は、前記低速帰還信号が印加されると、前記試料台を所定方向に変位させることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の原子間力顕微鏡。
- 前記移動機構は、前記カンチレバー上に設けた圧電膜よりも大型の圧電膜及び該圧電膜を挟持する一対の電極を備え、該電極に前記低速帰還信号が印加されると、逆圧電効果により前記試料台を所定方向に変位させることを特徴とする請求項６記載の原子間力顕微鏡。
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