JPH0886792A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】カンチレバーの変位検出機構とカンチレバーと
の相対位置が変わっても高精度の測定を行うことができ
る走査型プローブ顕微鏡を提供する。 【構成】カンチレバー２をＺ方向に移動させ試料７に接
近させたときのカンチレバー２の変位量が受光素子６上
の受光位置の変位として検出される。このとき補正信号
生成回路１３は、走査回路１２からの制御信号Ｖ_Pに比
例した電圧の補正信号Ｖ_Hを生成して出力し、位置検出
回路１０は受光素子６からの変位量信号Ｖ_OをＶ_Hで補正
し、対応する補正変位量信号Ｖ_Sを制御回路１１へ出力
し、制御回路１１が、カンチレバー２の変位量が一定と
なるようにＺ駆動部３ｂの第２の移動量を調整しつつ、
走査回路１２が、ＸＹ駆動部３ａ,３ａの第１の移動量
を調整して探針１を所定領域に移動・走査させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、試料の物理量を測定す
る顕微鏡装置に係わり、特に、試料表面に探針を接近さ
せたとき両者間に働く原子間力や磁気力等を利用して試
料の形状情報・磁気情報等を得る走査型プローブ顕微鏡
に関する。

【０００２】

【従来の技術】試料表面における物理量を計測する走査
型プローブ顕微鏡の種類としては、従来、例えば、原子
間力顕微鏡（ＡＦＭ）、磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）等があ
る。

【０００３】原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）は、探針と試料
との間に働く原子間力を測定することにより試料の形状
情報を得るものである。すなわち、カンチレバーに備え
られた探針と試料とを接近させてこれらの間に働く原子
間力によるカンチレバーのたわみ（変位）を測定し、そ
の変位が一定に保たれるように、試料の観察面方向と垂
直な方向（以下適宜、「Ｚ方向」という）への探針と試
料との相対位置を制御しながら、両者を相対的に観察面
方向（以下適宜、「Ｘ方向またはＹ方向」、若しくは
「ＸＹ方向」という）に移動させて走査を行うものであ
る。

【０００４】磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）は、探針と試料と
の間に働く磁気力を測定することにより試料の磁気分布
を得るものである。すなわち、上述した原子間力顕微鏡
の構成において探針を磁性体で構成し、この探針と試料
とを接近させこれらの間に働く磁気力によるカンチレバ
ーのたわみ（変位）を測定し、その変位が一定に保たれ
るようにＺ方向への探針と試料との相対位置を制御しな
がら、両者を相対的にＸＹ方向に移動させて走査を行う
ものである。

【０００５】以上のような走査型プローブ顕微鏡に関す
る公知技術として、例えば以下のものがある。 特開平５−１８７８６３号公報 この公知技術は、原子間力顕微鏡の構成において、カン
チレバーを移動機構に保持し、探針を試料に接近させて
カンチレバーを変位させる。そして、この変位が一定に
保たれるようにＺ方向へのカンチレバーの位置を制御し
ながらこのカンチレバーをＸＹ方向に走査させることに
より、試料の表面情報を得るものである。

【０００６】特開昭６２−１３０３０２号公報 この公知技術は、原子間力顕微鏡の構成において、試料
をＸＹ方向及びＺ方向に微小移動可能な機構（以下適
宜、「移動機構」という）に保持し、試料を探針に接近
させてカンチレバーを変位させる。そして、この変位が
一定に保たれるようにＺ方向への試料の位置を制御しな
がらこの試料をＸＹ方向に走査させることにより、試料
の表面情報を得るものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記公
知技術には以下の課題が存在する。すなわち、公知技術
においては、試料表面を観察する際にカンチレバーを
Ｘ、Ｙ、Ｚ方向に移動するが、このときカンチレバーの
変位を検出する機構（以下適宜、「変位検出機構」とい
う）は移動しないことから、カンチレバーと変位検出機
構との相対位置が変化し、測定結果に誤差を生じうると
いう課題があった。すなわち、一例として、カンチレバ
ーに照射したレーザ光の反射光を受光素子で受光し、カ
ンチレバーの変位を受光素子上のレーザ光の位置変化と
して検出するいわゆる光てこ方式の原子間力顕微鏡の場
合を考える。この場合、カンチレバーを移動機構によっ
て移動すると、レーザ光源と、反射鏡であるカンチレバ
ーと、受光素子とで構成される光学系のうち、レーザ光
源と受光素子は固定されて動かないのに、カンチレバー
の位置のみが移動する。よってこれらの相対的な位置関
係が変化することとなり、仮に試料のＺ方向への凹凸が
なかったとしても、受光素子上のレーザ光の受光位置が
変化するので、受光素子は試料にＺ方向への凹凸がある
かのような検出結果を出力する場合があり、変位測定に
おいて測定誤差を生じ測定精度が低下しうるという不都
合があった。また、この誤差は測定後には補正が困難で
ある。またこの測定誤差は、カンチレバーＸ方向又はＹ
方向への移動量が大きくなるほど増加する。

【０００８】一方、公知技術のように、探針に対して
試料をＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動する構成にすると、カンチ
レバーの変位検出機構とカンチレバーとの位置関係は変
わらず公知技術の問題はないが、大型の試料を観察し
ようとする際、その重量ゆえに走査速度や制御速度が遅
くなり、これを回避するためには、大型試料を観察する
場合には観察したい部分のみを切り出さなければならな
いという別の問題がある。

【０００９】本発明の目的は、カンチレバーの変位検出
機構とカンチレバーとの相対位置が変わっても高精度の
測定を行うことができる走査型プローブ顕微鏡を提供す
ることである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明によれば、試料の有する物理量を検知する探
針が取り付けられ、この探針が検知する物理量に反応し
て変位可能なカンチレバーと、このカンチレバーの変位
量を検出しこれに対応する変位量信号を出力する変位量
検出手段と、前記カンチレバーを前記試料の観察面方向
及びこの観察面に垂直な方向にそれぞれ移動可能な第１
及び第２の移動手段と、前記探針が前記観察面内の所定
領域を走査するように前記第１の移動手段の第１の移動
量を制御する第１の移動量制御手段と、前記変位量信号
に応じて前記カンチレバーの変位量が一定となるように
前記第２の移動手段の第２の移動量を制御する第２の移
動量制御手段と、前記第２の移動量をもとに前記試料の
物理量に関する情報を算出する演算手段と、この算出し
た情報を出力表示する出力手段とを備えた走査型プロー
ブ顕微鏡装置において、前記カンチレバーが前記第１の
移動手段によって移動されたときに前記変位量検出手段
からの変位量信号に含まれる前記試料の物理量と無関係
な検出誤差に応じた補正信号として出力する補正量決定
手段と、前記変位量信号及び前記補正信号を入力し、こ
の補正信号によって前記変位量信号を補正し、この補正
した変位量に対応する補正変位量信号を前記第２の移動
量制御手段へ出力する補正演算手段とをさらに備えたこ
とを特徴とする走査型プローブ顕微鏡装置が提供され
る。

【００１１】好ましくは、前記走査型プローブ顕微鏡装
置において、前記補正量決定手段は、前記第１の移動手
段の第１の移動量に応じて前記補正信号の補正量を決定
する手段であることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡
装置が提供される。

【００１２】また好ましくは、前記走査型プローブ顕微
鏡装置において、前記第１の移動手段は、前記第１の移
動量制御手段から入力される制御信号に応じて前記カン
チレバーを前記観察面方向に移動させる手段であり、前
記補正量決定手段は、前記補正信号の補正量を前記制御
信号にほぼ比例した電圧とする手段であることを特徴と
する走査型プローブ顕微鏡装置が提供される。

【００１３】さらに好ましくは、前記走査型プローブ顕
微鏡装置において、前記第１の移動手段は、前記第１の
移動量制御手段から入力される制御信号に応じて前記カ
ンチレバーを前記観察面方向に移動させる手段であり、
前記補正量決定手段は、前記変位量検出手段の検出誤差
を前記制御信号と前記変位量検出手段で検出したカンチ
レバーの変位量との相関データの形であらかじめ記憶し
ておくデータ記憶手段と、前記カンチレバーが前記観察
面方向に移動されるときの前記制御信号に対応する前記
検出誤差を、前記データ記憶手段に記憶された相関デー
タから読み出してこれを補正信号として前記補正演算手
段に出力するデータ出力手段とを有することを特徴とす
る走査型プローブ顕微鏡装置が提供される。

【００１４】また好ましくは、前記走査型プローブ顕微
鏡装置において、前記第１の移動手段は、前記第１の移
動量制御手段から入力される制御信号に応じて前記カン
チレバーを前記観察面方向に移動させる手段であり、前
記補正量決定手段は、前記変位量検出手段の検出誤差を
前記第１の移動量と前記変位量検出手段で検出したカン
チレバーの変位量との相関データの形であらかじめ記憶
しておくデータ記憶手段と、前記カンチレバーが前記観
察面方向に移動されるときの前記制御信号に対応する前
記検出誤差を、前記データ記憶手段に記憶された相関デ
ータから読み出してこれを補正信号として前記補正演算
手段に出力するデータ出力手段とを有することを特徴と
する走査型プローブ顕微鏡装置が提供される。

【００１５】さらに好ましくは、前記走査型プローブ顕
微鏡装置において、前記第１及び第２の移動手段は、前
記第１及び第２の移動量制御手段から入力される制御信
号に応じて前記カンチレバーをそれぞれ前記観察面方向
及びこの観察面に垂直な方向に移動させる圧電素子であ
ることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡装置が提供さ
れる。

【００１６】また好ましくは、前記走査型プローブ顕微
鏡装置において、前記試料を観察面にほぼ平行な面内で
２次元的に移動可能であるとともに、前記第１の移動手
段による第１の移動量より大きな移動量を可能とする試
料移動手段をさらに有することを特徴とする走査型プロ
ーブ顕微鏡装置が提供される。

【００１７】さらに好ましくは、前記走査型プローブ顕
微鏡装置において、前記変位量検出手段は、前記カンチ
レバーにレーザ光を照射するレーザ光源及び集光レンズ
と、前記レーザ光の前記カンチレバーによる反射光を受
光しこの受光位置に対応する受光位置信号を変位量信号
として出力する受光素子とを有し、前記補正演算手段は
前記受光位置信号及び前記補正信号が入力され前記補正
変位量信号を出力する受光位置検出回路からなることを
特徴とする走査型プローブ顕微鏡装置が提供される。

【００１８】また好ましくは、前記走査型プローブ顕微
鏡装置において、前記変位量検出手段は、金属探針を備
えこの金属探針と前記カンチレバーとの間に流れるトン
ネル電流を測定して前記カンチレバーの変位量を検出す
るトンネル顕微鏡であることを特徴とする走査型プロー
ブ顕微鏡装置が提供される。

【００１９】

【作用】本発明の走査型プローブ顕微鏡装置において、
試料の測定を行う際には、試料の有する物理量を検知す
る探針が取り付けられたカンチレバーを、第２の移動手
段によって観察面に垂直なＺ方向に移動させて探針を試
料に接近させる。これにより探針が検知する物理量に反
応してカンチレバーが変位し、このカンチレバーの変位
量が変位量検出手段で検出され対応する変位量信号が出
力される。この変位量信号に応じて第２の移動量制御手
段が、カンチレバーの変位量が一定となるように第２の
移動手段の第２の移動量を制御しつつ、同時に、第１の
移動量制御手段が、カンチレバーを試料の観察面方向に
移動させる第１の移動手段の第１の移動量を制御して探
針を観察面内の所定領域に移動・走査させる。この走査
時において、第１の移動手段によるカンチレバーの移動
で試料の物理量と無関係な検出誤差が発生しており、こ
の検出誤差は変位量検出手段から出力される変位量信号
に含まれる。そこで、補正量決定手段でこの検出誤差に
応じた補正信号を出力し、補正演算手段に変位量検出手
段からの変位量信号及び補正信号が入力され、実際のカ
ンチレバーの変位量に対応する補正変位量信号を第２の
移動量制御手段へ出力する。すなわち、検出誤差の影響
を測定中にリアルタイムで除去することができる。そし
て、この検出誤差が除去された補正変位量信号に基づい
て行われる所定領域の走査における第２の移動量をもと
に、演算手段によって試料の物理量に関する情報が算出
され、この算出した情報が出力手段で出力表示される。
したがって、最終的に誤差のない精度の高い情報を得る
ことができる。

【００２０】また、一般に、上記した検出誤差、すなわ
ち走査時において第１の移動手段によるカンチレバーの
移動で試料の物理量と無関係に発生する検出誤差は、第
１の移動手段の第１の移動量となんらかの相関関係にあ
ると考えられる。例えば、前述した光てこ方式の原子間
力顕微鏡の場合を考えると、カンチレバーに照射したレ
ーザ光の反射光を受光素子で受光し、カンチレバーの変
位を受光素子上のレーザ光の位置変化として検出する構
成である。すなわちこの場合は、固定されたレーザ光源
及び受光素子に対し、カンチレバーのみが第１の移動手
段で移動されることにより受光素子上のレーザ光の受光
位置が変化するので、第１の移動手段の移動量に応じて
検出誤差が発生することとなる。したがって、補正量決
定手段を、第１の移動手段の第１の移動量に応じて検出
誤差に対応する補正信号を出力するように構成すること
により、検出誤差を適切に除去することができる。

【００２１】さらに、第１の移動手段が第１の移動量制
御手段から入力される制御信号に応じてカンチレバーを
観察面方向に移動させる手段である場合には、上述した
検出誤差と第１の移動量との相関関係は、すなわち検出
誤差と制御信号との相関関係となる。したがって、補正
量決定手段を、補正信号を制御信号にほぼ比例した電圧
にするように構成することにより、除去すべき検出誤差
の大きさに相当するように調整できるので、補正演算手
段において検出誤差を適切に除去することができる。

【００２２】また上記のように検出誤差と制御信号とが
相関している場合、補正量決定手段の他の構成として、
変位量検出手段の検出誤差を、制御信号と変位量検出手
段で検出した検出誤差との相関データの形であらかじめ
記憶しておくデータ記憶手段と、カンチレバーが観察面
方向に移動されるときの制御信号に対応する検出誤差
を、その相関データから読み出して補正演算手段に出力
するデータ出力手段とを設ける構成もある。この場合、
試料の測定を始める前に、まず試料を配置せずに第１の
移動手段でカンチレバーを移動させる。このとき試料の
表面情報は測定されていないので、変位量検出手段で見
かけ上検出されるカンチレバーの変位量は、そのまま検
出誤差の大きさであり、このときの検出誤差を制御信号
と対応づけた相関データとしてデータ記憶手段に記憶し
ておく。そして試料の測定を開始し、走査時の制御信号
の値に応じデータ出力手段によって、対応する検出誤差
をデータ記憶手段から読み出して補正演算手段に出力す
る。補正演算手段では、誤差を含んでいる見かけ上のカ
ンチレバーの変位量信号から、データ出力手段から入力
された検出誤差を差し引いて真のカンチレバー変位量を
算出し、これに対応する補正変位量信号を第２の移動量
制御手段へ出力する。すなわち、これによって変位量検
出手段で検出された誤差を完全に除去することができ
る。

【００２３】さらに同様に、検出誤差と第１の移動手段
の第１の移動量とが相関している場合、補正量決定手段
の他の構成として、変位量検出手段の検出誤差を、第１
の移動量と変位量検出手段で検出した検出誤差との相関
データの形であらかじめ記憶しておくデータ記憶手段
と、カンチレバーが観察面方向に移動されるときの第１
の移動量に対応する検出誤差を、その相関データから読
み出して補正演算手段に出力するデータ出力手段とを設
ける構成もある。この場合、試料の測定を始める前に、
まず試料を配置せずに第１の移動手段でカンチレバーを
移動させる。このとき試料の表面情報は測定されていな
いので、変位量検出手段で見かけ上検出されるカンチレ
バーの変位量は、そのまま検出誤差の大きさであり、こ
のときの検出誤差を第１の移動量と対応づけた相関デー
タとしてデータ記憶手段に記憶しておく。そして試料の
測定を開始し、走査時の第１の移動量の値に応じデータ
出力手段によって、対応する検出誤差をデータ記憶手段
から読み出して補正演算手段に出力する。補正演算手段
では、誤差を含んでいる見かけ上のカンチレバーの変位
量信号から、データ出力手段から入力された検出誤差を
差し引いて真のカンチレバー変位量を算出し、これに対
応する補正変位量信号を第２の移動量制御手段へ出力す
る。すなわち、これによって変位量検出手段で検出され
た誤差を完全に除去することができる。

【００２４】また、第１及び第２の移動手段は、第１及
び第２の移動量制御手段から入力される制御信号に応じ
てカンチレバーをそれぞれ観察面方向及びこの観察面に
垂直な方向に移動させる圧電素子であることにより、観
察面方向及び観察面に垂直な方向へのカンチレバーの微
小な動きを可能とすることができるとともに、その微小
動作の制御が容易である。

【００２５】さらに、試料を観察面にほぼ平行な面内で
２次元的に移動可能であるとともに、第１の移動手段に
よる第１の移動量より大きな移動量を可能とする試料移
動手段をさらに有することにより、測定終了後にこの試
料移動手段で試料を移動させ、次回の測定では、今回の
測定における走査領域から遠く離れた位置に走査領域を
設定することができるので、試料の広い範囲で容易に測
定を行うことができる。

【００２６】また、変位量検出手段は、カンチレバーに
レーザ光を照射するレーザ光源及び集光レンズと、レー
ザ光のカンチレバーによる反射光を受光しこの受光位置
に対応する受光位置信号を変位量信号として出力する受
光素子とからなり、補正演算手段は前記受光位置信号及
び補正信号が入力され補正変位量信号を出力する受光位
置検出回路から構成することにより、カンチレバーの変
位量を検出しこれに対応する補正変位量信号を出力する
手段を実現できる。

【００２７】さらに、変位量検出手段は、金属探針を備
えこの金属探針と前記カンチレバーとの間に流れるトン
ネル電流を測定して前記カンチレバーの変位量を検出す
るトンネル顕微鏡であることにより、カンチレバーの変
位量を検出しこれに対応する変位量信号を出力する手段
を実現できる。

【００２８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１〜図７により説
明する。本発明の第１の実施例を図１〜図３により説明
する。本実施例は、原子間力顕微鏡装置の実施例であ
る。本実施例による原子間力顕微鏡装置の全体構成を図
１に示す。図１において、本実施例の顕微鏡装置１００
は、観察対象である試料７が上部に配置された試料台８
と、試料７の有する物理量（表面形状）を検知する探針
１が取り付けられその検知する形状に反応して変位可能
なカンチレバー２と、このカンチレバー２の変位量を検
出し対応する変位量信号Ｖ_Oを出力する変位量検出手
段、例えば変位量検出部５０と、３次元的なＸ、Ｙ、Ｚ
方向（後述）のいずれの方向にもカンチレバー２を微小
移動できる第１及び第２の移動手段、例えば移動機構３
と、移動機構３による移動の制御を行う第２の移動量制
御手段、例えば制御回路１１及び第１の移動量制御手
段、例えば走査回路１２と、変位量検出部５０、制御回
路１１、及び走査回路１２を一括して制御するとともに
測定結果を記憶し、試料７の原子間力を算出する演算手
段、例えば制御機構１４と、測定結果である試料７に関
する情報を出力表示する出力手段としての表示部１５
と、変位量検出部５０での検出誤差（後述）を補正算出
し、補正信号Ｖ_Hを出力する補正量決定手段、例えば補
正信号生成回路１３と、変位量信号Ｖ_O及び補正信号Ｖ_H
を入力し、補正変位量信号Ｖ_Sを出力する補正演算手
段、例えば位置検出回路１０とを有する。

【００２９】移動機構３は円筒型圧電素子であり、試料
７の上面である観察面方向（例えば水平方向、以下適宜
ＸＹ方向という）へのカンチレバー２の移動を可能とす
るように微小変形可能なＸＹ駆動部３ａ,３ａと、試料
７へ向かって進退する方向（例えば上下方向、以下適宜
Ｚ方向という）へのカンチレバー２の移動を可能とする
ように微小伸縮可能なＺ駆動部３ｂとを備えている。

【００３０】試料台８は、試料７が探針１に対向する形
で設置されており、図示しない試料台移動機構によっ
て、試料７の観察面にほぼ平行な面内で２次元的に移動
可能である。またこのときの移動可能な移動量は、ＸＹ
駆動部３ａ,３ａによるＸＹ方向への移動量よりも大き
い。これによって、測定終了後に試料７を移動させ、次
回の測定では今回の測定における走査領域から遠く離れ
た位置に走査領域を設定できるので、試料７の広い範囲
において容易に測定を行うことができる。

【００３１】走査回路１２は、探針１が試料７の観察面
内の所定領域を走査するように、移動機構３のＸＹ駆動
部３ａ,３ａに制御信号を出力する。ＸＹ駆動部３ａ,３
ａはこの制御信号に応じて微小変形し、これによって、
カンチレバー２はこの制御信号に応じた移動量（以下適
宜、第１の移動量という）だけＸＹ方向へ移動する。

【００３２】制御回路１１は、移動機構３のＺ駆動部３
ｂに制御信号を出力し、Ｚ駆動部３ｂはこの制御信号に
応じてＺ方向に微小伸縮し、これによって、カンチレバ
ー２はこの制御信号に応じた移動量（以下適宜、第２の
移動量という）だけＺ方向へ移動する。また制御回路１
１はこのときの第２の移動量を検出する。

【００３３】変位量検出部５０は、レーザ光源４と、レ
ーザ光源４からのレーザ光を集光しカンチレバー２の背
面に照射する集光レンズ５と、フォトダイオードから構
成されカンチレバー２の背面からの反射光を受光し対応
する電気信号に変換してカンチレバー２の変位量信号Ｖ
_Oとして出力する受光素子６とを有する。

【００３４】制御機構１４は、特に図示はしないが、制
御回路１１において検出された移動機構３の第２の移動
量が入力されこの第２の移動量を記憶する移動量記憶部
と、この移動量記憶部に記憶された第２の移動量をもと
に試料４の表面形状情報を算出して表示部１５へ出力す
る演算部とを備えている。なお、この制御機構１４には
走査回路１２からの走査信号が入力されており、上述し
た第２の移動量は走査信号、すなわち移動機構３のＸＹ
方向の移動に対応づけられて記憶される。

【００３５】補正信号生成回路１３は、走査回路１２か
ら出力されるＸＹ駆動部３ａ,３ａへの制御信号Ｖ_Pを分
圧し、すなわちこの制御信号Ｖ_Pにほぼ比例した電圧の
補正信号Ｖ_Hを生成し、位置検出回路１０に出力する。
そしてこのとき位置検出回路１０は、受光素子６からの
変位量信号Ｖ_Oをこの補正信号Ｖ_Hによって補正し、この
補正した信号に対応する補正変位量信号Ｖ_Sを制御回路
１１へ出力する。

【００３６】次に、上記構成における動作を説明する。
本実施例の顕微鏡装置１００において、試料７の測定を
行う際には、探針１が取り付けられたカンチレバー２
を、移動機構３のＺ駆動部３ｂの作用によってＺ方向に
移動させ探針１を試料７に接近させる。探針１と試料７
とが１ｎｍ程度まで接近すると両者の間に微小な原子間
力がはたらいてカンチレバー２にたわみが生じ、このカ
ンチレバー２の変位量が受光素子６上の受光位置の変位
として検出され変位量信号Ｖ_Oとして出力される。そし
てこの変位量信号Ｖ_Oは位置検出回路１０を介し制御回
路１１に入力され、制御回路１１が、カンチレバー２の
変位量が一定となるように移動機構３のＺ駆動部３ｂの
第２の移動量を調整しつつ、走査回路１２が、カンチレ
バー２をＸＹ方向に移動させる移動機構３のＸＹ駆動部
３ａ,３ａの第１の移動量を調整して探針１を観察面内
の所定領域に移動・走査させる。

【００３７】この走査時において、ＸＹ駆動部３ａ,３
ａによるカンチレバー２のＸＹ方向の移動で試料７の物
理量（表面形状）と無関係な検出誤差が発生しており、
変位量検出部５０でカンチレバー２の変位量信号Ｖ_Oに
含まれる形で検出されている。このことを図２（ａ）
（ｂ）を用いて説明する。

【００３８】図２（ａ）において、始めに探針１及びカ
ンチレバー２は、それぞれ破線で示される右側位置にあ
り、レーザ光源４から集光レンズ５を介して照射された
レーザ光は、カンチレバー２の背面の点ａで反射し、受
光素子６の位置Ａで受光される。

【００３９】その後、ＸＹ駆動部３ａ,３ａによって探
針１及びカンチレバー２が図示左側に距離ｘだけ移動さ
れて、実線で示される位置になったとすると、レーザ光
源４から集光レンズ５を介して照射されたレーザ光は、
カンチレバー２の背面の点ｂで反射し、受光素子６の位
置Ｂで受光されることになる。すなわちこのとき、試料
７の表面形状に関係なく、受光素子６上のレーザ光の受
光位置が、以下の（※）式のΔｘだけ変化することにな
る。 Δｘ＝ｘ・ｔａｎθ・ｓｉｎφ …（※） ここで、θは探針１及びカンチレバー２の移動方向（水
平方向）とカンチレバー２とのなす角度であり、φはカ
ンチレバー２の背面への入射レーザ光と反射光とのなす
角度である。

【００４０】したがって、このように検出誤差が発生し
ている状態に何の補正も施さないと、仮に試料７のＺ方
向への表面凹凸がなかったとしても、受光素子６は、見
かけ上図２（ｂ）の実線で示したようにカンチレバー２
がたわんだ状態と同一の状態を検出することとなるの
で、試料７に高さΔｚの凸部があるかのような信号を位
置検出回路１０に出力することになる。そして仮に、位
置検出回路１０がなければそのままの変位量信号Ｖ_Oが
制御回路１１に出力され、制御回路１１がこの変位量信
号Ｖ_Oに基づいて移動機構３を制御し、カンチレバー２
をΔｘだけ試料７方向（図中下方向）へ接近させようと
する。

【００４１】これを防ぐために、本実施例の顕微鏡装置
１００においては、補正信号生成回路１３を設け、この
補正信号生成回路１３で、この検出誤差を補正する補正
信号Ｖ_Hを生成して位置検出回路１０に出力し、変位量
検出部５０で検出したカンチレバー２の変位量信号Ｖ_O
をこの補正信号Ｖ_Hを用いて補正し、この補正した補正
変位量信号Ｖ_Sを制御回路１１へ出力する。この検出誤
差補正における補正量の決定を図３（ａ）〜（ｃ）によ
り具体的に説明する。上述したように、変位量検出部５
０における検出誤差、すなわち走査時におけるカンチレ
バー２のＸＹ方向への移動で発生する検出誤差は、固定
されたレーザ光源４及び受光素子６に対し、カンチレバ
ー２のみが移動され受光素子６上の受光位置が変化する
ことで発生するので、ＸＹ駆動部３ａ,３ａによるカン
チレバー２の第１の移動量と検出誤差はなんらかの相関
関係にあると考えられる。このとき第１の移動量は制御
回路１１からの制御信号に対応しているので、結果とし
て、制御信号と検出誤差とが相関関係にあることにな
る。

【００４２】検出誤差は、具体的には、図３（ａ）で示
されるように、フォトダイオードである受光素子６から
出力される出力信号Ｖ_Oで表される。すなわち、受光素
子６は詳しくは２分割されたフォトダイオードで構成さ
れており、受光素子６の受光面のほぼ中心にカンチレバ
ー２背面からの反射光が入射され、２分割ダイオードに
均等に受光されている場合には、これら２つのダイオー
ドからの出力が等しくなり、最終的に受光素子６からの
出力信号Ｖ_Oの値は破線で示すようにゼロとなる。この
場合には検出誤差を生じない。前述した制御回路１１に
よるカンチレバー２の変位量が一定となるような制御
は、受光素子６上のレーザ光の受光位置が常に受光面の
中心となるように、つまり２分割ダイオードに均等に受
光されるように制御するものである。

【００４３】しかしながら、上記のようにカンチレバー
２のみがＸＹ方向に移動されて受光位置が変わり、反射
光の入射量が２分割ダイオードの一方に多く他方に少な
くなると、受光素子６からの出力信号Ｖ_Oの値はゼロと
ならず、図３（ａ）実線で示すようなある値をとる。そ
してこのとき、この出力信号Ｖ_Oの値と制御信号Ｖ_Pと
は、例えば図３（ａ）で示すような関係にあり、Ｖ_Pの
増大とともにＶ_Oも増加する。

【００４４】ここで、本実施例の顕微鏡装置１００の補
正信号生成回路１３においては、この制御信号Ｖ_Pを分
圧し、Ｖ_Pにほぼ比例した電圧の補正信号Ｖ_Hを生成す
る。これを図３（ｂ）に示す。図３（ｂ）において、Ｖ
_H＝ｋ×Ｖ_Pの関係（ｋ：比例定数）にある。このときの
ｋの値は、補正信号Ｖ_Hの大きさが、除去すべき検出誤
差に相当する出力信号Ｖ_Oの大きさに相当するように
（すなわち図３（ａ）の実線と図３（ｂ）の直線とがな
るべく一致するように）設定され、これによって走査回
路１２から出力される制御信号からの分圧量が決定され
る。そして、このように補正量の大きさが決定された補
正信号Ｖ_Hが位置検出回路１０に出力され、位置検出回
路１０では、図３（ａ）のような特性の出力信号Ｖ_Oか
ら、図３（ｂ）のような特性の補正信号Ｖ_Hを減じる演
算を行う。この結果、この演算後すなわち補正後の検出
信号Ｖ_Sは、図３（ｃ）で表されるようになる。すなわ
ち、検出誤差の影響を適切にほぼ除去し、図３（ａ）に
破線で示す検出誤差の生じない場合の特性に近づけるこ
とができる。

【００４５】このように、位置検出回路１０は、補正信
号生成回路１３からの補正信号Ｖ_Hに基づき変位量信号
Ｖ_Oに含まれる検出誤差を除去し、補正後の検出信号す
なわち、補正変位量信号Ｖ_Sを制御回路１１へ出力し、
制御回路１１が移動機構３を制御し試料７の測定が行わ
れ、このときの第２の移動量が制御機構１４の移動量記
憶部される。

【００４６】そしてさらに、上記のようにして行われた
試料７の所定領域の走査で制御機構１４の移動量記憶部
に記憶された第２の移動量の集合をもとに、制御機構１
４内の演算部で試料７の表面凹凸形状に関する情報が算
出され、この算出した情報が表示部１５で出力表示され
る。したがって、最終的に誤差のない精度の高い情報を
得ることができる。

【００４７】以上説明したように、本実施例の顕微鏡装
置１００によれば、補正信号生成回路１３で検出誤差を
補正する補正信号Ｖ_Hが制御信号Ｖ_Pにほぼ比例した電圧
となるように生成され、この補正信号Ｖ_Hが位置検出回
路１０に入力され、この位置検出回路１０において受光
素子６からの変位量信号Ｖ_Oから補正信号Ｖ_Hを減じる補
正を行い、この補正後の補正変位量信号Ｖ_Sが制御回路
１１に出力されるので、検出誤差の影響を測定中にリア
ルタイムで除去することができる。よって、変位量検出
部５０とカンチレバー２との相対的な位置関係がずれて
も最終的に誤差のない精度の高い表面形状情報を得るこ
とができる。またこのとき、試料を移動させる従来技術
のように、大型試料を切断して小さくする必要がない。

【００４８】なお、上記実施例における検出誤差とし
て、カンチレバー２のＸＹ方向の移動による誤差のみを
考えたが、Ｚ方向の移動による誤差に関しては、測定中
の移動量が極めて小さいことから、問題となるような誤
差は発生しないとみなすことができる。

【００４９】本発明の第２の実施例を図４及び図５によ
り説明する。本実施例は、補正量決定手段の構成が異な
る実施例である。本実施例による原子間力顕微鏡装置２
００の全体構成を図４に示す。図４において、本実施例
の顕微鏡装置２００の構成が第１の実施例の顕微鏡装置
１００と異なる点は、変位量検出部５０における検出誤
差を補正する信号を生成する補正信号手段として、検出
誤差を、走査回路１２から出力される制御信号Ｖ_P1と受
光素子６からの変位量信号Ｖ_O1との相関データの形であ
らかじめ記憶しておくデータ記憶部２１３ｂと、測定開
始後カンチレバー２がＸＹ方向に移動されるときの制御
信号Ｖ_P2に対応する、検出誤差を示す信号Ｖ_O1を、デー
タ記憶部２１３ｂに記憶された相関データから読み出し
位置検出回路１０に出力するデータ出力部２１３ａとを
備えた補正信号生成回路２１３を備えていることであ
る。その他の構成は、第１の実施例とほぼ同様である。

【００５０】上記構成においては、まず、試料７の測定
を始める前に、まず試料台８に試料７を配置せずに移動
機構３でカンチレバー２をＸＹ方向に移動させる。この
とき試料７の表面情報は測定されていないので、位置検
出回路１０で見かけ上検出される受光素子６からの出力
信号Ｖ_O1は、そのまま検出誤差の大きさであり、このと
きのＶ_O1の値を制御信号Ｖ_P1と対応づけた相関データと
してデータ記憶部２１３ｂに記憶しておく。この相関デ
ータの一例を図５（ａ）に示す。

【００５１】その後試料７を試料台８に配置して測定を
開始し、走査時の制御信号Ｖ_P2の値に応じ、データ出力
部２１３ａによって対応するＶ_O1を刻々データ記憶部２
１３ｂから読み出して位置検出回路１０に出力する。位
置検出回路１０では、このとき検出されている検出誤差
を含んだ受光素子６からの出力信号Ｖ_O2から、データ出
力部２１３ａから入力された誤差に相当する分の出力信
号Ｖ_O1を差し引いた真の出力信号Ｖ_Oを算出する。前述
したように、あらかじめ検出した出力信号Ｖ_O1＝検出誤
差となるから、図５（ｂ）に示すように制御信号Ｖ_P2の
いかんにかかわらずＶ_Oに含まれる検出誤差＝０となる
ので、これに対応する変位量信号を制御回路１１へ出力
する。

【００５２】本実施例によれば、位置検出回路１０で検
出誤差の影響を完全に除去することができる。

【００５３】なお、上記実施例においては、データ記憶
部２１３ｂは、検出誤差を走査回路１２から出力される
制御信号Ｖ_Pと受光素子６からの出力信号Ｖ_Oとの相関デ
ータの形で記憶したが、他の相関データの形も可能であ
る。この変形例を図６により説明する。図６において、
本実施例の顕微鏡装置３００の構成が第２の実施例の顕
微鏡装置２００と異なる点は、検出誤差を補正する信号
を生成する補正信号手段として、変位量検出部５０にお
ける検出誤差を、走査回路１２で検出される移動機構３
によるＸＹ方向への第１の移動量ｄ₁と変位量検出部５
０で検出した検出誤差を示す受光素子６からの出力信号
Ｖ_O1との相関データの形であらかじめ記憶しておくデー
タ記憶部３１３ｂと、測定開始後カンチレバー２がＸＹ
方向に移動されるときの第１の移動量ｄ₂に対応する検
出誤差を示す信号Ｖ_O1を、データ記憶部３１３ｂに記憶
された相関データから読み出し位置検出回路１０に出力
するデータ出力部３１３ａとを備えた補正信号生成回路
３１３を備えていることである。その他の構成は、第２
の実施例とほぼ同様である。

【００５４】本変形例における補正に関する動作及び作
用は、上記第２の実施例における走査回路１２からの制
御電圧Ｖ_P1,Ｖ_P2を、走査回路１２で検出される移動機
構３の第１の移動量ｄに置き換えるのみであるので詳細
な説明を省略する。本変形例によっても、第２の実施例
と同様の効果を得る。

【００５５】なお、上記第１及び第２の実施例において
は、変位量検出部５０の構成の一例として、いわゆる光
てこ方式の構成を示しているが、カンチレバー２の変位
を検出する変位量検出部として、トンネル顕微鏡が用い
られる場合であっても適用できる。この変形例を図７を
用いて説明する。図７において、探針１と、トンネル顕
微鏡の金属探針１６との間に、図示しない電圧印加手段
によって電圧が印加されている。そして探針１と金属探
針１６との間がある程度接近すると、両者の間にトンネ
ル電流が流れ、このトンネル電流の値が図示しない計測
手段によって計測される。この計測された電流値の大小
によって、探針１と金属探針１６との間の距離、すなわ
ち探針１の変位量が検出される。

【００５６】この場合も、探針１及びカンチレバー２が
左方にｘだけ移動して破線位置から実線位置になったと
き、上記第１の実施例で図２（ａ）（ｂ）を用いて説明
したのと同様の問題が発生する。すなわち、試料７のＺ
方向への表面凹凸がなかったとしても、金属探針１６
は、見かけ上試料７にΔｘの凸部があるかのような検出
結果を出力することになり、結果としてカンチレバー２
がΔｘだけ試料７方向（図中下方向）へ接近させる制御
が行われる。

【００５７】したがって、上記第１及び第２の実施例に
おける補正方法を適用することによって、本変形例にお
いても同様の効果を得ることができる。

【００５８】また、上記の第１及び第２の実施例におい
ては、カンチレバー２を移動させる移動機構３として円
筒型圧電素子を使用しているが、例えばトライポッドに
代表されるような他のどのような構成の移動機構を用い
ても実現可能であり、この場合も同様の効果を得る。

【００５９】さらに、上記第１及び第２の実施例におい
ては、走査型プローブ顕微鏡装置の例として原子間力顕
微鏡装置を取りあげたが、例えば、磁気力顕微鏡装置等
は原子間力顕微鏡装置とほぼ同様の構成となっており、
上述した問題点がそのままあてはまるので、上記第１及
び第２の構成はこれらの走査型プローブ顕微鏡装置に適
用可能であり、この場合も同様の効果を得る。

【００６０】

【発明の効果】本発明によれば、補正量決定手段で検出
誤差を補正する補正信号が決定され、この補正信号が補
正演算手段に入力されて、変位量検出手段によって検出
されたカンチレバーの変位量信号が補正され、この補正
された変位量に対応する補正変位量信号が補正演算手段
から第２の移動量制御手段へ出力されるので、検出誤差
の影響を測定中にリアルタイムで除去することができ
る。よって、変位量検出手段とカンチレバーとの相対位
置関係がずれても最終的に誤差のない精度の高い情報を
得ることができる。またこのとき、試料を移動させる従
来技術のように、大型試料を切断して小さくする必要が
ない。

【００６１】また、補正量決定手段を、第１の移動手段
の第１の移動量に応じて補正信号の補正量を決定するよ
うに構成するので、検出誤差を適切に除去する信号を生
成することができる。さらに、補正量決定手段を、補正
信号を制御信号にほぼ比例した電圧とするように構成す
るので、この補正信号の電圧を除去すべき検出誤差の大
きさに相当するように調整でき、補正信号が入力された
補正演算手段において検出誤差を適切に除去することが
できる。また、補正量決定手段は、変位量検出手段の検
出誤差を、制御信号若しくは第１の移動量と変位量検出
手段で検出した検出誤差との相関データの形であらかじ
め記憶しておくデータ記憶手段と、カンチレバーが観察
面方向に移動されるときの制御信号若しくは第１の移動
量に対応する検出誤差を、その相関データから読み出し
て補正演算手段に出力するデータ出力手段とを有するの
で、変位量検出手段で、自ら検出した誤差を含んでいる
見かけ上のカンチレバーの変位量からデータ出力手段か
ら入力された誤差に相当する分のカンチレバーの変位量
を差し引いて真のカンチレバー変位量を算出し、検出誤
差を完全に除去することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例による原子間力顕微鏡装
置の全体構成を示す概念図である。

【図２】図１に示した変位量検出部で発生する検出誤差
を説明するための図である。

【図３】図１に示した顕微鏡装置で行われる検出誤差の
補正における補正量の決定を説明するための図である。

【図４】本発明の第２の実施例による原子間力顕微鏡装
置の全体構成を示す概念図である。

【図５】図４に示した顕微鏡装置で行われる検出誤差補
正作用を説明するための図である。

【図６】本発明の第２の実施例の変形例による原子間力
顕微鏡装置の全体構成を示す概念図である。

【図７】本発明の第１及び第２の実施例の変形例による
原子間力顕微鏡装置の変位量検出部を示す図である。

【符号の説明】

１ 探針 ２ カンチレバー ３ 移動機構 ３ａ ＸＹ駆動部（第１の移動手段） ３ｂ Ｚ駆動部（第２の移動手段） ６ 受光素子 ７ 試料 ８ 試料台 １０ 位置検出回路（補正演算手段） １１ 制御回路（第２の移動量制御手段） １２ 走査回路（第１の移動量制御手段） １３ 補正信号生成回路（補正量決定手段） １４ 制御機構（演算手段） １５ 表示部（出力手段） ５０ 変位量検出部 １００ 顕微鏡装置 ２００ 顕微鏡装置 ２１３ 補正信号生成回路 ２１３ａ データ出力部 ２１３ｂ データ記憶部 ３００ 顕微鏡装置 ３１３ 補正信号生成回路（補正量決定手段） ３１３ａ データ出力部 ３１３ｂ データ記憶部

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料の有する物理量を検知する探針が取
   り付けられ、この探針が検知する物理量に反応して変位
   可能なカンチレバーと、このカンチレバーの変位量を検
   出しこれに対応する変位量信号を出力する変位量検出手
   段と、前記カンチレバーを前記試料の観察面方向及びこ
   の観察面に垂直な方向にそれぞれ移動可能な第１及び第
   ２の移動手段と、前記探針が前記観察面内の所定領域を
   走査するように前記第１の移動手段の第１の移動量を制
   御する第１の移動量制御手段と、前記変位量信号に応じ
   て前記カンチレバーの変位量が一定となるように前記第
   ２の移動手段の第２の移動量を制御する第２の移動量制
   御手段と、前記第２の移動量をもとに前記試料の物理量
   に関する情報を算出する演算手段と、この算出した情報
   を出力表示する出力手段とを備えた走査型プローブ顕微
   鏡装置において、 前記カンチレバーが前記第１の移動手段によって移動さ
   れたときに前記変位量検出手段からの変位量信号に含ま
   れる前記試料の物理量と無関係な検出誤差に応じて、補
   正信号を出力する補正量決定手段と、 前記変位量信号及び前記補正信号を入力し、この補正信
   号によって前記変位量信号を補正し、この補正した変位
   量に対応する補正変位量信号を前記第２の移動量制御手
   段へ出力する補正演算手段とをさらに備えたことを特徴
   とする走査型プローブ顕微鏡装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡装
   置において、前記補正量決定手段は、前記第１の移動手
   段の第１の移動量に応じて前記補正信号の補正量を決定
   する手段であることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡
   装置。
3. 【請求項３】 請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡装
   置において、前記第１の移動手段は、前記第１の移動量
   制御手段から入力される制御信号に応じて前記カンチレ
   バーを前記観察面方向に移動させる手段であり、前記補
   正量決定手段は、前記補正信号の補正量を前記制御信号
   にほぼ比例した電圧とする手段であることを特徴とする
   走査型プローブ顕微鏡装置。
4. 【請求項４】 請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡装
   置において、前記第１の移動手段は、前記第１の移動量
   制御手段から入力される制御信号に応じて前記カンチレ
   バーを前記観察面方向に移動させる手段であり、前記補
   正量決定手段は、前記変位量検出手段の検出誤差を前記
   制御信号との相関データの形であらかじめ記憶しておく
   データ記憶手段と、前記カンチレバーが前記観察面方向
   に移動されるときの前記制御信号に対応する前記検出誤
   差を、前記データ記憶手段に記憶された相関データから
   読み出してこれを補正信号として前記補正演算手段に出
   力するデータ出力手段とを有することを特徴とする走査
   型プローブ顕微鏡装置。
5. 【請求項５】 請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡装
   置において、前記第１の移動手段は、前記第１の移動量
   制御手段から入力される制御信号に応じて前記カンチレ
   バーを前記観察面方向に移動させる手段であり、前記補
   正量決定手段は、前記変位量検出手段の検出誤差を前記
   第１の移動量との相関データの形であらかじめ記憶して
   おくデータ記憶手段と、前記カンチレバーが前記観察面
   方向に移動されるときの前記制御信号に対応する前記検
   出誤差を、前記データ記憶手段に記憶された相関データ
   から読み出してこれを補正信号として前記補正演算手段
   に出力するデータ出力手段とを有することを特徴とする
   走査型プローブ顕微鏡装置。
6. 【請求項６】 請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡装
   置において、前記第１及び第２の移動手段は、前記第１
   及び第２の移動量制御手段から入力される制御信号に応
   じて前記カンチレバーをそれぞれ前記観察面方向及びこ
   の観察面に垂直な方向に移動させる圧電素子であること
   を特徴とする走査型プローブ顕微鏡装置。
7. 【請求項７】 請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡装
   置において、前記試料を観察面にほぼ平行な面内で２次
   元的に移動可能であるとともに、前記第１の移動手段に
   よる第１の移動量より大きな移動量を可能とする試料移
   動手段をさらに有することを特徴とする走査型プローブ
   顕微鏡装置。
8. 【請求項８】 請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡装
   置において、前記変位量検出手段は、前記カンチレバー
   にレーザ光を照射するレーザ光源及び集光レンズと、前
   記レーザ光の前記カンチレバーによる反射光を受光しこ
   の受光位置に対応する受光位置信号を変位量信号として
   出力する受光素子とを有し、前記補正演算手段は前記受
   光位置信号及び前記補正信号が入力され前記補正変位量
   信号を出力する受光位置検出回路からなることを特徴と
   する走査型プローブ顕微鏡装置。
9. 【請求項９】 請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡装
   置において、前記変位量検出手段は、金属探針を備えこ
   の金属探針と前記カンチレバーとの間に流れるトンネル
   電流を測定して前記カンチレバーの変位量を検出するト
   ンネル顕微鏡であることを特徴とする走査型プローブ顕
   微鏡装置。