JPH0921816A

JPH0921816A - 原子間力顕微鏡

Info

Publication number: JPH0921816A
Application number: JP7169392A
Authority: JP
Inventors: Shunji Watanabe; 俊二渡辺; Toru Fujii; 藤井　　透
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1995-07-05
Filing date: 1995-07-05
Publication date: 1997-01-21
Anticipated expiration: 2015-07-05
Also published as: JP3608009B2; US5723775A

Abstract

(57)【要約】【目的】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
を補うこと。【構成】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、前記カンチレバー１上には、一対の電極６，８に挟
持された圧電膜７が設けられており、該圧電膜７は、前
記電極６，８に信号電圧が印加されると、ｄ₃₁逆圧電効
果により前記カンチレバー１を所定方向に変位させるこ
とを特徴とする原子間力顕微鏡。

Description

【発明の詳細な説明】

【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、本発明は第一
に「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前記
カンチレバー上には、一対の電極に挟持された圧電膜が
設けられており、該圧電膜は、前記電極に信号電圧が印
加されると、ｄ₃₁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を特徴とする原子間力顕微鏡
（請求項１）」を提供する。

【００１１】また、本発明は第二に「前記試料台の移動
機構、前記カンチレバーを励振させる振動機構、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、該
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、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請求項１記載の原子間力顕微鏡
（請求項２）」を提供する。

【００１２】また、本発明は第三に、「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２記載の原子間力顕微鏡（請求項３）」
を提供する。

【００１３】また、本発明は第四に「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２記載の原子間力顕微鏡（請求項
４）」を提供する。また、本発明は第五に「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４記載の原子
間力顕微鏡（請求項５）」を提供する。

【００１４】また、本発明は第六に「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５記載の原子間力顕微鏡（請求項
６）」を提供する。また、本発明は第七に「前記圧電膜
は、前記電極に高速帰還信号が印加されると、ｄ₃₁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２〜６記載の原子間力顕微鏡（請求項７）」を提供す
る。

【００１５】また、本発明は第八に「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、ｄ₃₁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７記載の原子間力顕微鏡（請求項８）」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）１
０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（Ｓｉ
₃Ｎ₄）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（Ｓｉ₃Ｎ₄）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１
５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１
４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】なお、カンチレバー１上に設けた圧電薄膜
７の上部電極８からは、Ｚ軸の変位に起因する信号と励
振用に入力された高周波信号の帰還信号が出力される
が、変位に起因する信号が４０ｋＨｚ付近なのに対し、
高周波信号は最大２０ｋＨｚなので２つを分離すること
ができる。分離して入手した信号は、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。

【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（Ｓｉ₃Ｎ₄）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（Ｓｉ
₃Ｎ₄）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、４１Ｚ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

【特許請求の範囲】

【請求項１】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、前記カンチレバー上には、一対の電極に挟持された圧電
膜が設けられており、該圧電膜は、前記電極に信号電圧
が印加されると、ｄ₃₁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を特徴とする原子間力顕
微鏡。
【請求項２】前記試料台の移動機構、前記カンチレバ
ーを励振させる振動機構、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、該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、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
する請求項１記載の原子間力顕微鏡。
【請求項３】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２記載の
原子間力顕微鏡。
【請求項４】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
２記載の原子間力顕微鏡。
【請求項５】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４記載の原子間力顕微鏡。
【請求項６】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５記
載の原子間力顕微鏡。
【請求項７】前記圧電膜は、前記電極に高速帰還信号
が印加されると、ｄ31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２〜６記載の原子間力顕微
鏡。
【請求項８】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、ｄ₃₁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７記載の原子間力
顕微鏡。