説明

表面情報計測装置及び表面情報計測方法

【課題】 XY方向へのクロストークを極力なくしてZ方向への直進性を向上し、高精度に試料の形状情報や物理情報を計測すること。
【解決手段】 探針2aを有するプローブ2と、該プローブ2を固定すると共に電圧を印加されたときに試料表面Bに垂直なZ方向に伸縮するZアクチュエータ4と、該Zアクチュエータ4に電圧を印加する印加手段5と、該印加手段5の作動を制御する制御手段とを備え、Zアクチュエータ4が、Z方向に伸縮自在な圧電体20と、圧電体20の内周面又は外周面に少なくとも周方向に3つ以上に分割された状態でそれぞれ電気的に独立して設けられ、接触する領域の範囲で圧電体20に電圧を印加して伸縮させる複数の分割電極22とを有し、制御手段が、分割電極22にそれぞれ接触する圧電体20の各接触領域の伸縮量がそれぞれ同一となるように、予め決められた電圧印加量の比率で電圧を印加するよう印加手段5を制御する表面情報計測装置1を提供する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、試料表面の形状情報や、様々な物理情報(例えば、誘電率、磁化状態、透過率、粘弾性や摩擦係数等)を計測する表面情報計測装置及び表面情報計測方法に関するものである。具体的な表面情報計測装置としては、走査型プローブ顕微鏡、表面粗さ計、硬度計や電気化学顕微鏡等である。
【背景技術】
【0002】
従来より、プローブ顕微鏡は、主に試料表面の原子レベル分解能での観察に使用されていたが、近年では光ディスクや半導体等の産業分野でも使用され始めている。特に、これらの産業分野では、段差計測、ピッチ計測や角度計測等の測長性能が要求されており、この要求を満たすため、例えば、Z素子にリニアリティの良いハード材を使用したり、XYZ各軸にセンサを組み込むと共に、センサ信号をフィードバックしてリニアリティを良くしたりする等、様々な改良がなされている。
【0003】
ここで、上述したプローブ顕微鏡は、様々なものが提供されているが、その1つとして、チューブ型圧電スキャナによりプローブをXYZ方向に微小移動させるプローブ顕微鏡が知られている。
このプローブ顕微鏡60は、例えば、図12に示すように、XY走査用チューブアクチュエータ61と、該XY走査用チューブアクチュエータ61の先端に連結されたZ駆動用チューブアクチュエータ62とからなるチューブ型圧電スキャナ63と、Z駆動用チューブアクチュエータ62の先端に固定されて先端に探針64aを有するカンチレバー64とを備えている。
上記XY走査用チューブアクチュエータ61は、チューブ型圧電体65と、該チューブ型圧電体65の内側に配された内側電極66と、チューブ型圧電体65の外側に配された外側電極67とを有している。この外側電極67は、周方向に均等に4分割されており、それぞれ対向する2つの電極がX走査用電極及びY走査用電極となっている。
【0004】
また、上記Z駆動用チューブアクチュエータ62は、上記XY走査用チューブアクチュエータ61と同様に図示しないチューブ型圧電体と、該チューブ型圧電体の内側に配された図示しない内側電極と、チューブ型圧電体の外側に配されたZ駆動用電極68とを有している。このZ駆動用チューブアクチュエータ62の内側電極と、XY走査用チューブアクチュエータ61の内側電極66とは、電気的に接続されている。つまり、両内側電極は、共通電極となっている。
そして、Z駆動用電極68の先端に、上記カンチレバー64が固定されている。
【0005】
このように構成されたプローブ顕微鏡60において、チューブ型圧電スキャナ63により探針64aをXYZ方向に動かす場合について説明する。まず、X方向に動かす場合には、対向する2つのX走査用電極67に、それぞれ極性の異なる電圧を印加する。これにより、チューブ型圧電体65が湾曲し、XY走査用チューブアクチュエータ61全体が湾曲する。この湾曲は、XY走査用チューブアクチュエータ61の先端に設けられたZ駆動用チューブアクチュエータ62に伝達するので、結果的にカンチレバー64先端の探針64aをX方向に移動させることができる。
また、同様に、対向する2つのY走査用電極67に、それぞれ極性の異なる電圧を印加することで、探針64aをY方向に移動させることができる。このように、X走査用電極67及びY走査用電極67にそれぞれ同時に電圧を印加することで、探針64aをXY方向に任意に走査させることができる。
【0006】
また、共通電極及びZ駆動用電極68に電圧を印加することで、Z駆動用チューブアクチュエータ68の圧電体がZ方向に伸縮する。これにより、探針64aをZ方向に移動させることができる。
このように、XY走査用チューブアクチュエータ61及びZ駆動用チューブアクチュエータ62からなるチューブ型圧電スキャナ63により、探針64aをXYZ方向にそれぞれ任意に移動させて、試料表面の形状情報や試料の様々な物理情報等(例えば、誘電率、磁化状態、透過率、粘弾性や摩擦係数等)を計測することができる。
【0007】
ここで、始めに説明した測長の1つである角度計測とは、例えば、ICパターン等の凹凸形状の側壁角度を計測するものである。特に、角度計測性能に対しては、Zの直進性が支配的な影響を与える。このZの直進性とは、上述したZ駆動用チューブアクチュエータ62において、Z方向の伸縮動作時に、XY方向へのクロストーク動作がどれだけ発生するかという指標である。
特に、チューブ型の圧電体は、略1mm以下の薄肉のセラミック円筒(例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(略称PZT)等の材質からなる)であり、薄肉のため肉厚精度の管理が難しい。また、Zの直進性は、肉厚に依存するために、チューブ型の圧電体により角度計測性能を向上させるのは困難となっている。また、計測する角度が大きくなるほど、Zの直進誤差が角度計測結果に与える影響が大きくなる。特に、近年ではSTI(シャロートレンチアイソレーション)等垂直に近い側壁の角度を計測したいというニーズが増加しているが、上述したように現状のチューブ型圧電体のZ直進性は不十分であり、改良が望まれている。
【0008】
このZ直進性について、より具体的に説明する。Z直進性は、チューブ型圧電体の同軸度、真円度等の加工精度や分極ムラ等により決定されるものである。
ここで、図13を参照して、偏芯(内径の中心位置と外径の中心位置とがずれている)しているZ駆動用チューブアクチュエータ70を例にして説明する。通常、チューブ型圧電体71は、円柱型の圧電体の中心を、機械加工により刳り貫いて作製する。そのため、機械加工時の精度不足により穴の中心位置がずれ、図13に示すように、圧電体71の厚さに偏り(一方の側の厚さd1が他方側の厚さd2より薄い状態)が生じて偏芯した状態となってしまう。
このように、偏芯している圧電体71に電圧を印加した場合には、圧電体71が薄い側(d1側)では電場が強くなるので伸縮量が大きく、一方、圧電体71が厚い側(d2側)では電場が弱くなるので伸縮量が小さくなる。その結果、図13に示すように、圧電体71はZ方向に真直ぐに伸縮せず、XY方向に湾曲、即ち、XY方向へのクロストークが発生してしまう。つまり、プローブがΔDzだけ変位するのに伴って、X方向の変位ΔDxも生じてしまう。この変位ΔDzとΔDxとの比(ΔDx/ΔDz)が大きいと特に、誤差が大きくなってしまう。
【0009】
このように、圧電体に偏芯が生じてしまうと、Z方向への直進性が劣ってしまうものであった。その結果、角度計測等の測長を高精度に行えない不都合があった。また、同様に、圧電体の真円度や分極ムラも同様に、Z方向への直進性を劣らせる原因となるものであり、やはり測長を高精度に行うことができない原因となるものである。
ところが、圧電体は略1mm以下の薄肉のセラミック円筒であるので、加工精度を上げるには限界があり、同軸度、真円度を単純に機械加工で高精度に仕上げることは困難なものであった。また、分極ムラについても同様に、高精度に管理を行うのは困難なものであった。また、製作にかかるコストが高くなると共に手間や時間がかかる不都合もあった。
【0010】
一方、上述したチューブ型圧電体のXY方向へのクロストークの問題が無く、直進性に優れ、測長性を重視した平行バネ方式スキャナが知られている。この平行バネ方式スキャナ80は、例えば、図14に示すように、枠形状の金属板81と、該金属板81に、例えば、ワイヤーカット放電加工機で溝を切って形成した平行バネ部82を介して取り付けられ、一方向に移動可能な可動部83と、該可動部83と金属板81との間に設けられ、金属板81に対して可動部83を一方向に向けて動かす積層型圧電素子84とを備えている。
【0011】
この平行バネ方式スキャナ80においては、積層型圧電素子84に電圧を印加することで、可動部83を一方向に向けて真直ぐに動かすことができるので、直進性に優れている。また、金属板81の周囲を更に枠形状の図示しない第2の金属板で囲み、該第2の金属板と金属板81との間に平行バネ部82及び積層型圧電素子84を設けることで、第2の金属板を一方向に直交する他方向に向けて動かすことができる。更に、第2の金属板を一方向及び他方向に直交する方向に動かすことができるように、平行バネ部82及び積層型圧電素子84をさらに組み合わせて構成することで、可動部83をXYZの3方向に向けて真直ぐ動かすこともできる。
【0012】
ところが、この平行バネ方式スキャナ80は、上述したチューブ型圧電スキャナ63に比べて、直進性に優れている反面、大型化して設置スペースと必要とするだけでなく高コストになると共に、共振周波数が低いという欠点があった。
この点、やはりチューブ型圧電スキャナの方が好適に用いられている。そこで、チューブ型圧電スキャナを利用して、XY方向へのクロストークを補正するプローブ位置補正方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。
【0013】
このプローブ位置補正方法は、プローブがZ方向に移動するのに伴って生じるプローブのXY面内の移動量を観察画像から測定する段階と、移動量に基づいてプローブ位置を補正する段階とを備えている。こうすることで、プローブがZ方向に移動するのに伴うXY面内のプローブの移動による誤差を補正でき、高精度な試料の観察像等を得ることができる。
【特許文献1】特開2004−4026号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0014】
しかしながら、上記従来の方法では、以下の課題が残されている。
即ち、特許文献1に記載されているプローブ位置補正方法では、Z駆動用チューブアクチュエータが真直ぐ伸縮しないことが前提となっており、得られた観察像に基づいて単にXY方向の補正を行っているだけのものである。つまり、最終的にプローブが観察した観察画像は、XY方向へのクロストークが補正された観察画像であるが、Z駆動用チューブアクチュエータ自体は真直ぐ伸縮するものではない。従って、Z駆動用チューブアクチュエータが、XY方向に傾いてしまったり、横方向(XY方向)の運動エネルギーを有して
しまうので、ノイズの原因となってしまい正確な試料の計測を行えない恐れがあった。
また、Z方向の移動量に応じた補正電圧をXYに出力する必要があるので、回路が複雑化する問題があった。
【0015】
また、XY方向へのクロストークをソフトウェアを利用して対処することも困難である。つまり、圧電体のXY方向への動きは、ソフトウェアによる線形化処理が可能であるが、Z方向への動きは、動作のモデル化が事実上不可能である。これは、PZT等の圧電体は、ヒステリシスがあるため、印加電圧に対して2つの高さになることがあり、また、ヒステリシスの量は移動量やオフセット量によって変化するためである。従って、ソフトウェアを利用して対処することが難しい。よって、上述した特許文献1に記載されているプローブ位置補正方法等に頼らざるを得ない。
【0016】
本発明は、このような事情に考慮してなされたもので、その目的は、XY方向へのクロストークを極力なくしてZ方向への直進性を向上し、高精度に試料の形状情報や物理情報を計測することができる表面情報計測装置及び表面情報計測方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0017】
本発明は、前記課題を解決するために以下の手段を提供する。
本発明の表面情報計測装置は、探針を試料表面に近接又は接触させて、試料表面の形状情報又は試料の物理情報を計測する表面情報計測装置であって、前記探針を先端に有し、前記試料の上方に配されたプローブと、該プローブを先端に固定すると共に、電圧を印加されたときに前記試料表面に垂直なZ方向に伸縮して、プローブを試料表面に対して接近離間させるZアクチュエータと、該Zアクチュエータに電圧を印加する印加手段と、
該印加手段の作動を制御する制御手段とを備え、前記Zアクチュエータが、断面筒状で前記Z方向に延びて形成されて該Z方向に伸縮自在な圧電体と、該圧電体の内周面又は外周面に少なくとも周方向に3つ以上に分割された状態でそれぞれ電気的に独立して設けられ、接触する領域の範囲で圧電体に電圧を印加してZ方向に伸縮させる複数の分割電極とを有し、前記印加手段が、前記複数の分割電極にそれぞれ異なる量の電圧を同時に印加可能とされ、前記制御手段が、前記複数の分割電極にそれぞれ接触する前記圧電体の各接触領域の伸縮量がそれぞれ同一となるように、予め決められた電圧印加量の比率で電圧を印加するよう前記印加手段を制御することを特徴とするものである。
【0018】
また、本発明の表面情報計測方法は、断面筒状で試料表面に垂直なZ方向に延びて形成されて該Z方向に伸縮自在な圧電体と、該圧電体の内周面又は外周面に少なくとも周方向に3つ以上に分割された状態でそれぞれ電気的に独立して設けられ、接触する領域の範囲で圧電体に電圧を印加してZ方向に伸縮させる複数の分割電極とを備え、試料の上方に配された探針を先端に固定したZアクチュエータに、電圧を印加してZ方向に伸縮させると共に探針を試料表面に近接又は接触させた状態で、試料表面の形状情報又は試料の物理情報を計測する表面情報計測方法であって、前記複数の分割電極に接触する前記圧電体の各接触領域の伸縮量がそれぞれ同一となるように、各分割電極に印加する電圧印加量の比率を設定する印加量設定工程と、該印加量設定工程により設定された電圧印加量の比率に応じた電圧を、前記複数の分割電極にそれぞれ同時に印加する電圧印加工程とを備えていることを特徴とするものである。
【0019】
この発明に係る表面情報計測装置及び表面情報計測方法においては、印加手段により、複数の分割電極のそれぞれに電圧を印加すると、分割電極に接触する領域の範囲で圧電体をそれぞれZ方向に伸縮させることができる。
ここで、まず、印加量設定工程により、複数の分割電極に接触する圧電体の各接触領域の伸縮量がそれぞれ同一となるように、各分割電極に印加する電圧印加量の比率を決定する。これにより、仮に筒状の圧電体の同軸度や真円度が精度良くでていない場合や分極ムラ等の原因により、圧電感度が場所によって異なっていたとしても、分割電極の数に応じて圧電体を複数の領域に分けると共に、各領域がZ方向に伸縮する伸縮量を制御することができる。
【0020】
そして、電圧印加工程において、制御手段が設定された電圧印加量の比率に応じた電圧を複数の分割電極にそれぞれ同時に印加させるように印加手段を制御することで、即ち、各接触領域の圧電感度に応じた電圧を印加させることで各接触領域のZ方向に向かう伸縮量を同一にすることができる。これにより、Zアクチュエータ全体の直進性が向上し、Z方向に真直ぐ伸縮させることができる。
その結果、Zアクチュエータの先端に固定されたプローブを試料表面に真直ぐに接近離間させることができ、探針を試料表面に近接又は接触させて試料表面の形状情報や物理情報の計測を行える。特に、Zアクチュエータ自体の直進性が向上して、XY方向へのクロストークを極力なくすことができるので、XYクロストークに起因したノイズの発生を低減でき、試料の各種情報を高精度に計測することができる。
また、分割電極は、少なくとも3つ以上設けられているので、XY方向へのクロストークを確実に抑え、Z方向への直進性を確保することができる。更に、分割電極をより多く有するように構成することで、圧電体をより多くの接触領域に分けることができ、Z方向の伸縮量を制御できる数を増やすことができる。従って、よりZ方向への直進性を向上することができる。
【0021】
また、本発明の表面情報計測装置は、上記本発明の表面情報計測装置においては、前記複数の分割電極に同一量の電圧を印加させて、前記Zアクチュエータの先端近傍が前記Z方向に直交するXY方向に変位する変位量及び方向を測定する変位測定手段を備え、前記制御部が、前記変位測定手段で測定した測定結果に基づいて前記電圧印加量の比率を設定することを特徴とするものである。
【0022】
また、本発明の表面情報計測方法は、上記本発明の表面情報計測方法において、前記印加量設定工程が、一旦、前記複数の分割電極に同一量の電圧を印加させて、前記Zアクチュエータの先端近傍が前記Z方向に直交するXY方向に変位する変位量及び方向を測定する変位測定工程と、該変位測定工程後、測定結果に基づいて前記電圧印加量の比率を設定する設定工程とを備えていることを特徴とするものである。
【0023】
この発明に係る表面情報計測装置及び表面情報計測方法においては、変位測定工程により、一旦、複数の分割電極に同一量の電圧を印加させて、圧電体の各接触領域をZ方向に向けて伸縮させる。そして、この際のZアクチュエータ全体のXY方向への変位具合を測定する。つまり、変位測定手段により、Zアクチュエータの先端近傍がXY方向に変位する変位量及びその方向の測定を行う。これにより、圧電体の圧電分布を測定でき、XY方向へのクロストークの傾向や特性を把握することができる。
そして、設定工程により、制御部が、測定した測定結果に基づいて、複数の分割電極にそれぞれ印加する電圧印加量の比率を設定する。従って、ZアクチュエータのZ方向に向かう直進性をより向上でき、XY方向へのクロストークをより確実に低減することができる。
【0024】
また、本発明の表面情報計測装置は、上記本発明の表面情報計測装置において、前記制御部が、前記複数の分割電極のそれぞれに同一量の電圧を印加させて、複数の分割電極に接触する前記圧電体の接触領域の圧電感度をそれぞれ測定した測定結果に基づいて、前記電圧印加量の比率を設定することを特徴とするものである。
【0025】
また、本発明の表面情報計測方法は、上記本発明の表面情報計測方法において、前記印加量設定工程が、一旦、前記複数の分割電極のそれぞれに同一量の電圧を印加させて、複数の分割電極に接触する前記圧電体の圧電感度をそれぞれ測定する感度測定工程と、該感度測定工程後、測定結果に基づいて前記電圧印加量の比率を設定する設定工程とを備えていることを特徴とするものである。
【0026】
この発明に係る表面情報計測装置及び表面情報計測方法においては、感度測定工程により、一旦、複数の分割電極のそれぞれに同一量の電圧を印加させて、圧電体の各接触領域をZ方向に向けて伸縮させる。そして、この際の各接触領域の圧電感度をそれぞれ測定する。
そして、設定工程により、制御部が、測定した測定結果に基づいて、複数の分割電極にそれぞれ印加する電圧印加量の比率を設定する。従って、各接触領域の伸縮量が同一となり、その結果、Zアクチュエータ全体のZ方向に向かう直進性がより向上し、XY方向へのクロストークを確実に低減することができる。
【0027】
また、本発明の表面情報計測装置は、上記本発明のいずれかに記載の表面情報計測装置において、前記複数の分割電極が、前記圧電体の周方向に均等配置されていることを特徴とするものである。
【0028】
この発明に係る表面情報計測装置においては、分割電極が圧電体の周方向に均等配置されているので、同様に分割電極に接する圧電体の接触領域も周方向に同一長さで均等に配置できる。これにより、Z方向に直進するように、各接触領域のZ方向に向かう伸縮量を調整し易い。
【0029】
また、本発明の表面情報計測装置は、探針を試料表面に近接又は接触させて、試料表面の形状情報又は試料の物理情報を計測する表面情報計測装置であって、前記探針を先端に有し、前記試料の上方に配されたプローブと、該プローブを先端に固定すると共に、電圧を印加されたときに前記試料表面に垂直なZ方向に伸縮して、プローブを試料表面に対して接近離間させる積層型Zアクチュエータと、該積層型Zアクチュエータに電圧を印加する印加手段と、該印加手段の作動を制御する制御手段とを備え、前記積層型Zアクチュエータが、前記試料表面に平行な面に沿って配されると共に前記Z方向に伸縮自在なシート状の圧電体と、該圧電体の両面を少なくとも3つ以上の区域にそれぞれ電気的に独立して分割配置された複数の一対電極とを有する圧電素子を、各一対電極が重なり合った状態でZ方向に複数層備え、前記印加手段が、前記複数の一対電極にそれぞれ異なる量の電圧を同時に印加可能とされ、前記制御手段が、前記複数の一対電極に接触する前記圧電体の伸縮量がそれぞれ同一となるように、予め決められた電圧印加量の比率で電圧を印加するよう前記印加手段を制御することを特徴とするものである。
【0030】
また、本発明の表面情報計測方法は、試料表面に平行な面に沿って配されると共に試料表面に垂直なZ方向に伸縮自在なシート状の圧電体と、該圧電体の両面を少なくとも3つ以上の区域にそれぞれ電気的に独立して分割配置された複数の一対電極とを有する圧電素子を、各一対電極が重なり合った状態でZ方向に複数層備えて試料の上方に配された探針を先端に固定した積層型Zアクチュエータに、電圧を印加してZ方向に伸縮させると共に探針を試料表面に近接又は接触させた状態で、試料表面の形状情報又は試料の物理情報を計測する表面情報計測方法であって、前記複数の一対電極に接触する前記圧電体の伸縮量がそれぞれ同一となるように、各一対電極に印加する電圧印加量の比率を設定する印加量設定工程と、該印加量設定工程により設定された電圧印加量の比率に応じた電圧を、前記複数の一対電極にそれぞれ同時に印加する電圧印加工程とを備えていることを特徴とするものである。
【0031】
この発明に係る表面情報計測装置及び表面情報計測方法においては、印加手段により、3つ以上の区域に電気的に独立して分割された一対電極にそれぞれ電圧を印加すると、一対電極間に挟まれた各層の圧電体がそれぞれZ方向に伸縮する。
ここで、まず、印加量設定工程により、複数の一対電極に挟まれた状態で接触する圧電体の伸縮量がそれぞれ同一となるように、各一対電極に印加する電圧印加量の比率を決定する。これにより、仮に圧電体の圧電感度が場所によって異なっていたとしても、一対電極の数に応じて圧電体を複数の領域に分けると共に、各領域がZ方向に伸縮する伸縮量を制御することができる。
【0032】
そして、電圧印加工程において、制御手段が設定された電圧印加量の比率に応じた電圧を複数の一対電極にそれぞれ同時に印加させるように印加手段を制御することで、即ち、各領域の圧電感度に応じた電圧を印加させることで各領域のZ方向に向かう伸縮量を同一にすることができる。これにより、積層型Zアクチュエータ全体の直進性が向上し、Z方向に真直ぐ伸縮させることができる。
その結果、積層型Zアクチュエータの先端に固定されたプローブを試料表面に真直ぐに接近離間させることができ、探針を試料表面に近接又は接触させて試料表面の形状情報や物理情報の計測を行える。特に、積層型Zアクチュエータ自体の直進性が向上して、XY方向へのクロストークを極力なくすことができるので、XYクロストークに起因したノイズの発生を低減させることができ、試料の各種情報を高精度に計測することができる。
また、一対電極は、少なくとも3つ以上設けられているので、XY方向へのクロストークを確実に抑え、Z方向への直進性を確保することができる。更に、一対電極をより多く有するように構成することで、圧電体をより多くの領域に分けることができ、Z方向の伸縮量を制御できる数を増やすことができる。従って、よりZ方向への直進性を向上することができる。
【0033】
また、本発明の表面情報計測装置は、探針を試料表面に近接又は接触させて、試料表面の形状情報又は試料の物理情報を計測する表面情報計測装置であって、前記探針を先端に有し、前記試料の上方に配されたプローブと、前記試料を上面に載置すると共に試料表面に平行な面に沿って配された平板状の載置台と、該載置台を下面側から支持すると共に、電圧を印加されたときに前記試料表面に垂直なZ方向に伸縮して、試料表面を前記プローブに対して接近離間させる少なくとも3つ以上の複数のZアクチュエータと、該複数のZアクチュエータのそれぞれに、異なる量の電圧を同時に印加可能な印加手段と、前記試料表面を前記プローブに接近離間させる際に、前記複数のZアクチュエータの伸縮量がそれぞれ同一となるように、予め決められた電圧印加量の比率で電圧を印加するよう前記印加手段を制御する制御手段を備えていることを特徴とするものである。
【0034】
また、本発明に係る表面情報計測方法は、探針を先端に有するプローブの下方に配された試料を、上面に載置すると共に試料表面に平行な面に沿って配された平板状の載置台を下面側から支持する少なくとも3つ以上の複数のZアクチュエータに、電圧を印加してZ方向に伸縮させると共に探針を試料表面に近接又は接触させた状態で、試料表面の形状情報又は試料の物理情報を計測する表面情報計測方法であって、前記複数のZアクチュエータの伸縮量がそれぞれ同一となるように、該複数のZアクチュエータに印加する電圧印加量の比率を設定する印加量設定工程と、該印加量設定工程により設定された電圧印加量の比率に応じた電圧を、前記複数のZアクチュエータにそれぞれ同時に印加する電圧印加工程とを備えていることを特徴とするものである。
【0035】
この発明に係る表面情報計測装置及び表面情報計測方法においては、印加手段により、3つのZアクチュエータにそれぞれ電圧を印加すると、Z方向に伸縮して試料が載置された載置台をZ方向に移動させる。
ここで、まず、印加量設定工程により、複数のZアクチュエータの伸縮量がそれぞれ同一となるように、各Zアクチュエータに印加する電圧印加量の比率を決定する。
そして、電圧印加工程において、制御手段が設定された電圧印加量の比率に応じた電圧を各Zアクチュエータにそれぞれ同時に印加させるように印加手段を制御することで、即ち、各Zアクチュエータの圧電感度に応じた電圧を印加させることで各ZアクチュエータのZ方向に向かう伸縮量を同一にすることができる。これにより、複数のZアクチュエータ全体の直進性が向上し、Z方向に真直ぐ伸縮させることができる。
【0036】
その結果、複数のZアクチュエータに支持された載置台及び試料をZ方向に向けて真直ぐに移動させてプローブに接近離間させることができ、探針を試料表面に近接又は接触させて試料表面の形状情報や物理情報の計測を行える。特に、複数のZアクチュエータ全体の直進性が向上して、XY方向へのクロストークを極力なくすことができるので、XYクロストークに起因したノイズの発生を低減させることができ、試料の各種情報を高精度に計測することができる。
【0037】
また、本発明の表面情報計測装置は、上記本発明のいずれかに記載の表面情報計測装置において、前記プローブと前記試料とを、前記試料表面に平行な方向に向けて相対的に移動させる移動手段を備えていることを特徴とするものである。
【0038】
また、本発明の表面情報計測方法は、上記本発明のいずれかに記載の表面情報計測方法において、前記プローブと前記試料とを、試料表面に平行な方向に向けて相対的に移動させる走査工程を備えていることを特徴とするものである。
【0039】
この発明に係る表面情報計測装置及び表面情報計測方法においては、移動手段によりプローブと試料とを、試料表面に平行な方向に向けて相対的に移動させて、試料表面を走査する走査工程を有しているので、ある所定の領域における物理情報の変化分布等を計測でき、より多角的な試料の計測を行える。
【発明の効果】
【0040】
本発明に係る表面情報計測装置及び表面情報計測方法によれば、圧電体の同軸度や真円度が精度良く出ていない場合や分極ムラ等の原因により、圧電体の圧電感度が場所によって異なっていたとしても、複数の分割電極に接触する圧電体の各接触領域に、それぞれの圧電感度に応じた電圧を印加して、Z方向に向かう伸縮量を同一にできるので、Zアクチュエータ全体のXY方向へのクロストークを極力なくし、Zアクチュエータの直進性を向上することができる。よって、XY方向へのクロストークに起因したノイズの発生を低減でき、試料の形状情報や物理情報等を高精度に計測することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0041】
以下、本発明に係る表面情報計測装置及び表面情報計測方法の第1実施形態を、図1から図7を参照して説明する。
本実施形態の走査型プローブ顕微鏡(表面情報計測装置)1は、図1に示すように、探針2aを試料表面Bに近接又は接触させて、試料表面Bの形状情報又は試料Aの物理情報(例えば、誘電率、磁化状態、透過率、粘弾性や摩擦係数等)を計測するものであって、上記探針2aを先端に有し、試料Aの上方に配されたカンチレバー2(プローブ)と、該カンチレバー2を取付部材3を介して先端に固定すると共に、電圧を印加されたときに試料表面Bに垂直なZ方向に伸縮して、カンチレバー2を試料表面Bに対して微小な距離で接近離間させるZ素子(Zアクチュエータ)4と、該Z素子4に電圧を印加する印加手段5と、該印加手段5の作動を制御する制御装置(制御手段)6とを備えている。
【0042】
また、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡1は、上記試料A及びZ素子4を固定する筐体10を備えている。この筐体10は、互いに対向すると共に試料表面Bに平行なXY方向に取付面11a、12aを有する上部架台11及び下部架台12を有している。そして、下部架台12の取付面12a上には、上記試料AをXY方向に向けて粗動移動させるXY移動ステージ13が固定され、該XY移動ステージ13上には、試料AをZ方向に向けて粗動移動させるZ粗動機構14が固定されている。また、該Z粗動機構14の上面に、上記試料Aが載置固定されている。これらXY移動ステージ13及びZ粗動機構14は、上記制御装置6によって作動が制御されている。
【0043】
また、上部架台11の取付面11aには、上記印加手段5により電圧を印加されたときに、先端がXY方向に微小移動するXY素子(移動手段)15が吊り下げられるように固定されている。そして、該XY素子15の先端に上記Z素子4が固定されている。つまり、XY素子15は、Z素子4を介してカンチレバー2をXY方向に微小移動させることができるようになっている。即ち、このXY素子15は、カンチレバー2と試料Aとを、試料表面Bに平行なXY方向に向けて相対的に微小移動させる移動手段としての機能を有している。
【0044】
上記Z素子4は、図2に示すように、断面円筒状でZ方向に延びて形成されてZ方向に伸縮自在な圧電体20と、該圧電体20の内周面に沿って設けられた接地電極21と、圧電体20の外周面に少なくとも周方向に3つ以上に分割された状態でそれぞれ電気的に独立して設けられ、接触する領域の範囲で圧電体20に電圧を印加してZ方向に伸縮させる複数の外部電極(分割電極)22とを備えている。
なお、本実施形態においては、複数の分割電極として、圧電体20の外周面に設けられた外部電極20を例にして説明するが、これに限られず、圧電体20の内周面に設けられた接地電極21を複数に分割して分割電極としても構わない。
上記圧電体20は、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)等の圧電材料からなり、円柱状態から中心を機械加工により刳り貫いて円筒状に形成されている。また、接地電極21は、圧電体20の内周面全体に亘って、例えば、メタライズされている。
上記複数の外部電極22は、本実施形態では4つ形成されており、圧電体20の周方向に均等配置されて同一長さを有するように、例えば、メタライズされている。
【0045】
ここで、上記XY素子15は、Z素子4と同様に、図示しない圧電体、接地電極及び4つの外部電極を有している。そして、印加手段5によって対向する2つの外部電極に極性の異なる電圧を印加されることで、それぞれの外部電極に接触する圧電体のうち一方がZ方向に伸びると共に他方がZ方向に縮む。これにより、全体的に湾曲して先端がXY方向に微小移動するようになっている。
【0046】
上記印加手段5は、4つの外部電極22にそれぞれ電気的に接続された個別電圧発生器25と、これら各個別電圧発生器25に電気的に接続されたZ電源26とを有しており、4つの外部電極22にそれぞれ異なる量の電圧を同時に印加可能とされている。
また、印加手段5は、Z素子4と同様にXY素子15の外部電極22に対しても所定の極性及び電圧値で電圧を印加することができるようになっている。
【0047】
上記制御装置6は、4つの外部電極22にそれぞれ接触する圧電体20の各接触領域の伸縮量がそれぞれ同一となるように、予め決められた電圧印加量の比率で電圧を印加するように印加手段5を制御するようになっている。
つまり、制御装置6は、4つの外部電極22に同一量の電圧を印加させて、Z素子4の先端近傍がZ方向に直交する上記XY方向に変位する変位量及び方向を測定する変位測定部(変位測定手段)6aを備えており、該変位測定部6aで測定した測定結果に基づいて上記電圧印加量の比率を設定するようになっている。これについては、後に詳細に説明する。
【0048】
このように構成された走査型プローブ顕微鏡1により、試料Aの形状情報や物理情報を計測する表面情報計測方法について以下に説明する。
本実施形態の表面情報計測方法は、4つの外部電極22に接触する圧電体20の各接触領域の伸縮量がそれぞれ同一となるように、各外部電極22に印加する電圧印加量の比率を設定する印加量設定工程と、該印加量設定工程により設定された電圧印加量の比率に応じた電圧を、4つの外部電極22にそれぞれ同時に印加する電圧印加工程と、カンチレバー2と試料Aとを試料表面Bに平行なXY方向に向けて相対的に移動させる移動工程とを有している。
また、本実施形態では、印加量設定工程が、一旦、4つの外部電極22に同一量の電圧を印加させて、Z素子4の先端近傍がXY方向に変位する変位量及び方向を測定する変位測定工程と、該変位測定工程後、測定結果に基づいて、電圧印加量の比率を設定する設定工程とを備えている。これら各工程について、図3に示すフローチャートを参照しながら以下に詳細に説明する。
【0049】
始めに、XY移動ステージ13及びZ粗動機構14により、探針2aが試料Aの測定領域に達するように試料AをXYZ方向に粗動移動させた後、印加量設定工程により、4つの外部電極22に印加する電圧印加量の比率を設定する。即ち、まず変位測定部6aでZ素子4の先端部近傍がXY方向に変位する変位量及び方向を測定する変位測定工程を行う。
具体的には、Z素子4の伸び量を変え、それぞれの位置で変位測定部6aによりデータを2点取得する(S1)ことで、変位量及び方向の測定を行う。つまり、図4に示すように、4つの外部電極22に同一量の電圧を印加してZ素子4を変位させた位置(ポジション1)及び、該ポジション1の際に印加した電圧とは異なる電圧を4つの外部電極22に同一量で印加してZ素子4を変位させた位置(ポジション2)の2つの位置において、カンチレバー2を利用して試料Aの観察画像を取得し、この2つの観察画像を比較することで、XY方向の変位量及び方向の測定を行う。
【0050】
まず、図4に示すように、4つの外部電極22に電圧を印加してZ素子4が縮んだ状態(ポジション1)で、図5に示すように、試料Aの観察画像を取得する(S2)。次いで、個別電圧発生器25により、4つの外部電極22にポジション1とは異なる同一量の電圧を印加して、圧電体20の4つの接触領域をZ方向に伸ばす。この際、圧電体20は、同軸度のズレ(偏芯)、真円度のズレや分極ムラ等の原因により、圧電感度が場所によって異なるので、伸び量が異なる。その結果、Z素子4は、全体的にXY方向に変位、即ち、XY方向へのクロストークが発生する。これにより、Z素子4が伸びた状態(ポジション2)では、図4に示すように、探針2a位置を比較すると、XY方向に距離Dだけ変位すると共にZ方向に距離Dzだけ伸びた状態となる。そして、この状態で、図6に示すように、試料Aの観察画像を取得する(S3)。
なお、上述したポジション1及びポジション2は、計測精度を上げるためにZ素子4の可動範囲の両端近く(即ち、本実施形態のように、縮んでいる状態及び延びている状態の2点)にすることが好ましいが、この位置に限られるものではない。
【0051】
そして、変位測定部6aは、取得した2つの観察画像を比較して、各観察画像に撮像されている被写体の変位具合、即ち、どれ位の変位量でどの方向に移動したかを測定する(S4)。この被写体の変位具合は、上記探針2a位置の変位量D及び方向に一致するので、2つの観察画像を比較することで、探針2aのXY方向への変位量(クロストーク量)及び方向を測定することができる(S5)。
なお、探針2aは、Z素子4の先端に固定されているので、該探針2a位置を測定することで、Z素子4の先端近傍の変位量及び方向を測定することになる。
【0052】
この変位測定工程後、制御装置6は、変位測定部6aで測定された測定結果に基づいて、電圧印加量の比率を設定する上記設定工程を行う(S6)。
つまり、Z素子4がZ方向に伸びた距離Dzに対するXY方向のクロストーク量D及び方向により、XY方向へのクロストークの傾向や特性が把握でき、圧電体20の圧電分布を測定することができる。そして、制御部は、圧電分布に基づいて、4つの外部電極22にそれぞれ印加する電圧印加量の比率を設定する。
【0053】
上述した電圧印加量設定工程が終了した後、制御装置6は、設定した電圧印加量の比率に応じた電圧を4つの外部電極22にそれぞれ同時に印加させるように印加手段5を制御する電圧印加工程を行う(S7)。
本実施形態では、外部電極22の数に応じて圧電体20を4つの領域に分けると共に、各領域がZ方向に伸縮する伸縮量をそれぞれ制御できる。よって、電圧印加工程により、各接触領域の圧電感度に応じた電圧を印加することで、各接触領域のZ方向に向かう伸縮量を同一にできる。これにより、Z素子4全体の直進性が向上し、Z方向に真直ぐ伸縮させることができる。
【0054】
その結果、Z素子4の先端に固定されたカンチレバー2を試料表面Bに真直ぐに接近離間させることができ、探針2aを試料表面Bに近接又は接触させて試料表面Bの形状情報や物理情報の計測を行える。特に、Z素子4自体の直進性が向上して、XY方向へのクロストークを極力なくすことができるので、XYクロストークに起因したノイズの発生を低減でき、試料Aの各種情報を高精度に計測することができる。
また、試料Aの計測を行う際に、XY素子15により走査工程を行えるので、試料表面BをXY方向に走査して、ある所定の領域(範囲)における物理情報の変化分布等を計測でき、より多角的な試料Aの計測を行える。
【0055】
上述したように、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡1及び表面情報計測方法によれば、圧電体20の同軸度や真円度が精度良く出ていない場合や分極ムラ等の原因により、圧電体20の圧電感度が場所によって異なっていたとしても、圧電体20の各接触領域の圧電感度に応じた電圧を印加して、各接触領域のZ方向に向かう伸縮量を同一にできるので、Z素子4のXY方向へのクロストークを極力なくし、Z素子4の直進性を向上することができる。よって、XY方向へのクロストークに起因したノイズの発生を低減でき、試料Aを高精度に計測することができる。
【0056】
図7を参照して、より具体的に説明すると、図7(a)に示すように、圧電体20に偏芯(内径の中心位置と外径の中心位置とのズレ)が生じている場合や、図7(b)に示すように、圧電体20に真円ズレが生じている場合や、図7(c)に示すように、圧電体20に分極ムラが生じている場合であっても、本実施形態では、図7(d)から(f)に示すように、4つの外部電極22に接する圧電体20の各接触領域の圧電感度に応じて、外部電極22に印加する電圧印加量の比率を設定するので、Z素子4のXY方向へのクロストークを極力なくすことができる。
【0057】
また、4つの外部電極22は、圧電体20の周方向に均等配置されることで、圧電体20の接触領域も周方向に同一長さで均等配置されているので、各接触領域の伸縮量を調整し易い。
【0058】
次に、本発明に係る表面情報計測装置及び表面情報計測方法の第2実施形態を、図8及び図9を参照して説明する。なお、第2実施形態において、第1実施形態と同一の構成については同一の符号を付しその説明を省略する。
第2実施形態と第1実施形態との異なる点は、第1実施形態では、4つの外部電極22に同一量の電圧を同時に印加させて、Z素子4全体のXY方向へのクロストーク量及び方向を測定することで、Z素子4の圧電感度を求め、その結果から電圧印加量の比率を設定したが、第2実施形態では、4つの外部電極22に接触する圧電体20の各接触領域の圧電感度をそれぞれ測定して、その結果から電圧印加量の比率を設定する点である。
【0059】
即ち、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡30は、4つの外部電極22のそれぞれに同一量の電圧を印加させて、4つの外部電極22に接触する圧電体20の圧電感度をそれぞれ測定する感度測定手段31から測定結果を得て、制御装置6が、この測定結果に基づいて電圧印加量の比率の設定を行う。
この感度測定手段31は、図8に示すように、一面32a及び他面32bが直交するように90度折り曲げられて形成され、各外部電極22の外周面に一面32aが取り付け可能なLアングル状の取付金具32と、該取付金具32の他面32bに貼り付けられたミラー33と、該ミラー33の表面に光Lを照射すると共に反射した光Lを受光してミラー33の変位を測定する光学式測長器34とを備えている。
【0060】
このように構成された走査型プローブ顕微鏡30により、印加量設定工程を行う場合について説明する。
本実施形態の印加量設定工程は、一旦、複数の外部電極22のそれぞれに同一量の電圧を印加させて、4つの外部電極22に接触する圧電体20の圧電感度をそれぞれ測定する感度測定工程と、該感度測定工程後、測定結果に基づいて電圧印加量の比率を設定する設定工程とを有している。
なお、本実施形態では、印加量設定工程を行う際に、図8に示すように、Z素子4のみをZ素子取付金具35に取り付けた状態で行うものとする。但し、XY素子15に取付られている状態で行っても構わない。
【0061】
まず、4つの外部電極22のいずれかの外部電極22の外周面に、他面32bにミラー33が貼り付けられた取付金具32の一面32aを取り付ける(S10)。そして、光学式測長器34によりミラー33の表面に光Lを照射させる。
この状態において、取付金具32を取り付けた外部電極22のみに電圧を印加させ、該外部電極22に接触する圧電体20の接触領域をZ方向に伸縮させる。これにより、ミラー33と光学式測長器34とのZ方向の距離が変位する。そして、この変位を光学式測長器34により測定する(S11)。なお、光学式測長器34には、例えば、3角測量方式や干渉方式等がある。
そして、上述した測定を圧電体20の全ての接触領域で行う(S12)。終了後、各接触領域の変位を比較することで、圧電体20全体の圧電感度分布を測定することができる(S13)。その後、制御装置6が、測定された各圧電感度に応じて、電圧印加量の比率の設定を行う。
特に、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡30によれば、圧電体20の各接触領域の圧電感度をそれぞれ別個に測定するので、それぞれの伸縮量が同一となるように電圧印加量の比率を設定しやすい。
【0062】
なお、圧電体20の内周面に設けられた接地電極21を複数の分割電極として採用した場合には、この接地電極21に上記ミラー33を取り付けて、各圧電感度を測定すれば良い。
【0063】
次に、本発明に係る表面情報計測装置及び表面情報計測方法の第3実施形態を、図10を参照して説明する。なお、第3実施形態において、第1実施形態と同一の構成については同一の符号を付しその説明を省略する。
第3実施形態と第1実施形態との異なる点は、第1実施形態では、円筒形の圧電体20を有したZ素子4により、カンチレバー2をZ方向に微小移動させたが、第3実施形態では、シート状の圧電体41を有した積層型Zアクチュエータ40によりカンチレバー2をZ方向に微小移動させる点である。
【0064】
上記積層型Zアクチュエータ40は、図10に示すように、試料表面Bに平行な面に沿って(XY方向に沿って)配されると共にZ方向に伸縮自在なシート状の圧電体41と、該圧電体41の両面を少なくとも3つ以上の区域にそれぞれ電気的に独立して分割配置された4つの(複数の)一対電極42とを有する圧電素子43を、各一対電極42が重なり合った状態でZ方向に複数層備えている。これら複数の圧電素子43は、各一対電極42を介して電気的に層間配線されている。
また、本実施形態において、4つの一対電極42にそれぞれ個別電圧発生器25が電気的に接続されており、異なる量の電圧を同時に印圧可能とされている。
また、制御装置6は、4つの一対電極42に接触する圧電体41の伸縮量がそれぞれ同一となるように、予め決められた電圧印加量の比率で電圧を印加するよう印加手段5を制御するようになっている。
【0065】
また、本実施形態の印加量設定工程は、4つの一対電極42に接触する圧電体41の伸縮量がそれぞれ同一となるように、各一対電極42に印加する電圧印加量の比率を設定する工程であり、電圧印加量工程は、印加量設定工程により設定された電圧印加量の比率に応じた電圧を、4つの一対電極42にそれぞれ同時に印加する工程である。
【0066】
本実施形態の場合も第1実施形態と同様に、一対電極42の数に応じて圧電体41を4つの(複数の)領域に分けると共に各領域がZ方向に伸縮する伸縮量を制御することができる。従って、圧電体41の圧電感度が場所によって異なっていたとしても、制御装置6が設定された電圧印加量の比率に応じた電圧を4つの一対電極42にそれぞれ同時に印加させるように印加手段5を制御することで、即ち、各領域の圧電感度に応じた電圧を印加させることで各領域のZ方向に向かう伸縮量を同一にすることができる。これにより、積層型Zアクチュエータ40全体の直進性が向上し、Z方向に真直ぐに伸縮させることができる。その結果、第1実施形態と同様に、XY方向へのクロストークを極力なくすことができ、試料Aの各種情報を高精度に計測することができる。
【0067】
次に、本発明に係る表面情報計測装置及び表面情報計測方法の第4実施形態を、図11を参照して説明する。なお、第4実施形態において、第1実施形態と同一の構成については同一の符号を付しその説明を省略する。
第4実施形態と第1実施形態との異なる点は、第1実施形態では、円筒状の圧電体20を有したZ素子4により、カンチレバー2をZ方向に微小移動させたが、第4実施形態の走査型プローブ顕微鏡50では、少なくとも3つ以上の複数のZアクチュエータ51により試料AをZ方向に微小移動させ、探針2aに接近離間させる点である。
【0068】
即ち、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡50は、図11に示すように、試料Aを上面に載置すると共に試料表面Bに平行な面に沿って(XY方向に沿って)配された平板状の上部プレート(載置台)52と、該上部プレート52を下面側から支持すると共に電圧を印加されたときに試料表面Bに垂直なZ方向に伸縮して、試料表面Bをカンチレバー2に対して接近離間させる3つのZアクチュエータ51とを備えている。
また、上記3つのZアクチュエータ51は、下部プレート53上に設けられ、該下部プレート53と上部プレート52との間に挟まれるように設けられている。また、上部プレート52及び下部プレート53は、中心に円状の開口52a、53aが形成され、環状となっている。そして、試料Aは、上部プレート52の上面に開口52aを覆うように配されている。
なお、3つのアクチュエータは、第1実施形態のように、円筒状の圧電体20を有するアクチュエータでも構わないし、第3実施形態のようにシート状の圧電体41を有するアクチュエータでも構わない。
【0069】
更に、本実施形態において、印加手段5は、3つのZアクチュエータ51のそれぞれに異なる量の電圧を印加可能とされており、制御装置6は、3つのZアクチュエータ51の伸縮量がそれぞれ同一となるように、予め決められた電圧印加量の比率で電圧を加圧するよう印加手段5の制御を行うようになっている。
また、本実施形態の印加量設定工程は、3つのZアクチュエータ51の伸縮量がそれぞれ同一となるように、3つのアクチュエータに印加する電圧印加量の比率を設定する工程であり、電圧印加工程は、印加量設定工程により設定された電圧印加量の比率に応じた電圧を3つのZアクチュエータ51にそれぞれ同時に印加する工程である。
【0070】
本実施形態の場合も第1実施形態と同様に、各Zアクチュエータ51がZ方向に伸縮する伸縮量を制御することができる。従って、3つのZアクチュエータ51全体の直進性が向上し、Z方向に真直ぐ伸縮させることができる。その結果、3つのアクチュエータに支持された上部プレート52及び試料AをZ方向に向けて真直ぐに移動させてカンチレバー2に接近離間させることができる。その結果、第1実施形態と同様に、XY方向へのクロストークを極力なくすことができ、試料Aの各種情報を高精度に計測することができる。
また、本実施形態の走査型プローブ顕微鏡50に、例えば、倒立型顕微鏡を組み合わせても構わない。例えば、上部プレート52及び下部プレート53の開口52a、53aに対物レンズ等を配置して組み合わせても構わない。このように、他の機能と複合化しても良い。
【0071】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【0072】
例えば、上記各実施形態において、表面情報計測装置の一例として、走査型プローブ顕微鏡を採用したが、これに限られず、試料表面の形状情報や、様々な物理情報(例えば、誘電率、磁化状態、透過率、粘弾性、摩擦係数等)を計測する装置であれば構わない。例えば、表面粗さ計、硬度計、電気化学顕微鏡等でも良い。
【0073】
また、上記第1実施形態から第3実施形態において、圧電体を外部電極に数に応じた4つの領域に分けだが、4つに限られず、少なくとも3つ以上であれば構わない。少なくとも3つであれば、2本のベクトルを確保して、Z素子又は積層型ZアクチュエータをXY方向の2方向に向けて、XYクロストークを相殺するように変位させることができ、Z方向に向けて確実に真直ぐに伸縮させることができる。
特に、電極を3つ以上設けることで、圧電体をより多くの接触領域に分けることができ、Z方向の伸縮量を制御できる数を増やすことができる。従って、よりZ方向への直進性を高めることができるので、より好ましい。
また、第1実施形態及び第2実施形態において、外部電極は、周方向に均等配置された状態としたが、均等配置に限られるものではない。
【0074】
また、上記各実施形態において、各電極のそれぞれに電源を電気的に接続しても構わない。但し、本実施形態のように、1つのZ電源から電力を分配し、個々の電極に電圧を印加できる構成とすることで、低コスト化を測ることができるのでより好ましい。
【0075】
また、圧電体の圧電感度分布を測定する方法としては、第1実施形態及び第2実施形態
に限られるものではなく、他の方法により圧電感度分布を測定しても構わない。例えば、第2実施形態において、ミラーに光を照射することで、圧電体の各接触領域の圧電感度をそれぞれ測定したが、ミラーを利用した光学式ではなく、各接触領域に歪ゲージを貼り付け、歪ゲージ出力を計測することで、圧電感度を求めても構わない。
【0076】
また、上記第1実施形態において、圧電体を断面円状としたが、断面が円以外の形状でも良く、断面筒状であれば構わない。また、形状の一部に切り欠き、穴等の異形部を有していても構わない。
また、上記第1実施形態及び第2実施形態において、XY素子を移動手段としたが、これに限られず、試料側をXY方向に移動自在に構成しても構わない。
【0077】
更に、上記第1実施形態及び第2実施形態において、Z素子とXY素子とが、分離された構成としたが、Z素子とXY素子とが一体的に構成されていても構わない。例えば、制御装置が、対向する外部電極に逆極性の電圧を印加するように印加手段を制御することで、圧電体の一方は伸び、他方は縮む。これにより、XY方向に走査するXY素子として動作する。また、全ての外部電極に同極性の電圧を印加させることで、すべてがZ方向に伸縮し、Z素子として動作する。このように、XY指令とZ指令とを重畳して入力することで、XYZ3軸のスキャナとして機能する。このように構成されたスキャナに対しても、本発明は適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【0078】
【図1】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡(表面情報計測装置)の第1実施形態を示す、全体構成図である。
【図2】図1に示す走査型プローブ顕微鏡のZ素子及び印加手段を示す構成図である。
【図3】図1に示す走査型プローブ顕微鏡により、試料表面の形状情報や試料の物理情報を計測する本発明に係る表面情報計測方法の一工程を示すフローチャートである。
【図4】印加量設定工程の際、Z素子を伸縮させ2点(ポジション1及びポジション2)で観察画像を取得する状態を示す図である。
【図5】図4におけるポジション1にて取得した観察画像の一例を示した図である。
【図6】図4におけるポジション2にて取得した観察画像の一例を示した図である。
【図7】圧電体が偏芯、真円ズレ又は分極ムラになっている場合に、図1に示す走査型プローブ顕微鏡により、各外部電極に印加する電圧印加量の比率を示した図である。
【図8】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡(表面情報計測装置)の第2実施形態を示す図であって、圧電体の各接触領域の圧電感度をそれぞれ測定するために、Z素子にミラーを取り付けた状態を示す図である。
【図9】図8に示す走査型プローブ顕微鏡により、Z素子全体の圧電感度分布を測定する際の一工程を示すフローチャートである。
【図10】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡(表面情報計測装置)の第3実施形態を示す図であって、積層型Zアクチュエータの一例を示す斜視図である。
【図11】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡(表面情報計測装置)の第4実施形態を示す全体構成図である。
【図12】従来の走査型プローブ顕微鏡のチューブ型圧電スキャナの一例を示す図である。
【図13】従来のZ駆動用チューブアクチュエータであって、Z方向に作動させた際に、偏芯したチューブ型圧電体によりXY方向にクロストークが発生した状態を示す図である。
【図14】従来の平行バネ式スキャナの一例を示す図である。
【符号の説明】
【0079】
A 試料
B 試料表面
1、30、50 走査型プローブ顕微鏡(表面情報計測装置)
2 カンチレバー(プローブ)
2a 探針
4 Z素子(Zアクチュエータ)
5 印加手段
6 制御装置(制御手段)
6a 変位測定部(変位測定手段)
15 XY素子(移動手段)
20 断面円筒状の圧電体
21 接地電極
22 外部電極(分割電極)
40 積層型Zアクチュエータ
41 シート状の圧電体
42 一対電極
51 Zアクチュエータ
52 上部架台(載置台)

【特許請求の範囲】
【請求項1】
探針を試料表面に近接又は接触させて、試料表面の形状情報又は試料の物理情報を計測する表面情報計測装置であって、
前記探針を先端に有し、前記試料の上方に配されたプローブと、
該プローブを先端に固定すると共に、電圧を印加されたときに前記試料表面に垂直なZ方向に伸縮して、プローブを試料表面に対して接近離間させるZアクチュエータと、
該Zアクチュエータに電圧を印加する印加手段と、
該印加手段の作動を制御する制御手段とを備え、
前記Zアクチュエータは、断面筒状で前記Z方向に延びて形成されて該Z方向に伸縮自在な圧電体と、該圧電体の内周面又は外周面に少なくとも周方向に3つ以上に分割された状態でそれぞれ電気的に独立して設けられ、接触する領域の範囲で圧電体に電圧を印加してZ方向に伸縮させる複数の分割電極とを有し、
前記印加手段は、前記複数の分割電極にそれぞれ異なる量の電圧を同時に印加可能とされ、
前記制御手段は、前記複数の分割電極にそれぞれ接触する前記圧電体の各接触領域の伸縮量がそれぞれ同一となるように、予め決められた電圧印加量の比率で電圧を印加するよう前記印加手段を制御することを特徴とする表面情報計測装置。
【請求項2】
請求項1記載の表面情報計測装置において、
前記複数の分割電極に同一量の電圧を印加させて、前記Zアクチュエータの先端近傍が前記Z方向に直交するXY方向に変位する変位量及び方向を測定する変位測定手段を備え、
前記制御部は、前記変位測定手段で測定した測定結果に基づいて前記電圧印加量の比率を設定することを特徴とする表面情報計測装置。
【請求項3】
請求項1記載の表面情報計測装置において、
前記制御部は、前記複数の分割電極のそれぞれに同一量の電圧を印加させて、複数の分割電極に接触する前記圧電体の接触領域の圧電感度をそれぞれ測定した測定結果に基づいて、前記電圧印加量の比率を設定することを特徴とする表面情報計測装置。
【請求項4】
請求項1から3のいずれか1項に記載の表面情報計測装置において、
前記複数の分割電極は、前記圧電体の周方向に均等配置されていることを特徴とする表面情報計測装置。
【請求項5】
探針を試料表面に近接又は接触させて、試料表面の形状情報又は試料の物理情報を計測する表面情報計測装置であって、
前記探針を先端に有し、前記試料の上方に配されたプローブと、
該プローブを先端に固定すると共に、電圧を印加されたときに前記試料表面に垂直なZ方向に伸縮して、プローブを試料表面に対して接近離間させる積層型Zアクチュエータと、
該積層型Zアクチュエータに電圧を印加する印加手段と、
該印加手段の作動を制御する制御手段とを備え、
前記積層型Zアクチュエータは、前記試料表面に平行な面に沿って配されると共に前記Z方向に伸縮自在なシート状の圧電体と、該圧電体の両面を少なくとも3つ以上の区域にそれぞれ電気的に独立して分割配置された複数の一対電極とを有する圧電素子を、各一対電極が重なり合った状態でZ方向に複数層備え、
前記印加手段は、前記複数の一対電極にそれぞれ異なる量の電圧を同時に印加可能とされ、
前記制御手段は、前記複数の一対電極に接触する前記圧電体の伸縮量がそれぞれ同一となるように、予め決められた電圧印加量の比率で電圧を印加するよう前記印加手段を制御することを特徴とする表面情報計測装置。
【請求項6】
探針を試料表面に近接又は接触させて、試料表面の形状情報又は試料の物理情報を計測する表面情報計測装置であって、
前記探針を先端に有し、前記試料の上方に配されたプローブと、
前記試料を上面に載置すると共に試料表面に平行な面に沿って配された平板状の載置台と、
該載置台を下面側から支持すると共に、電圧を印加されたときに前記試料表面に垂直なZ方向に伸縮して、試料表面を前記プローブに対して接近離間させる少なくとも3つ以上の複数のZアクチュエータと、
該複数のZアクチュエータのそれぞれに、異なる量の電圧を同時に印加可能な印加手段と、
前記試料表面を前記プローブに接近離間させる際に、前記複数のZアクチュエータの伸縮量がそれぞれ同一となるように、予め決められた電圧印加量の比率で電圧を印加するよう前記印加手段を制御する制御手段を備えていることを特徴とする表面情報計測装置。
【請求項7】
請求項1から6のいずれか1項に記載の表面情報計測装置において、
前記プローブと前記試料とを、前記試料表面に平行な方向に向けて相対的に移動させる移動手段を備えていることを特徴とする表面情報計測装置。
【請求項8】
断面筒状で試料表面に垂直なZ方向に延びて形成されて該Z方向に伸縮自在な圧電体と、該圧電体の内周面又は外周面に少なくとも周方向に3つ以上に分割された状態でそれぞれ電気的に独立して設けられ、接触する領域の範囲で圧電体に電圧を印加してZ方向に伸縮させる複数の分割電極とを備え、試料の上方に配された探針を先端に固定したZアクチュエータに、電圧を印加してZ方向に伸縮させると共に探針を試料表面に近接又は接触させた状態で、試料表面の形状情報又は試料の物理情報を計測する表面情報計測方法であって、
前記複数の分割電極に接触する前記圧電体の各接触領域の伸縮量がそれぞれ同一となるように、各分割電極に印加する電圧印加量の比率を設定する印加量設定工程と、
該印加量設定工程により設定された電圧印加量の比率に応じた電圧を、前記複数の分割電極にそれぞれ同時に印加する電圧印加工程とを備えていることを特徴とする表面情報計測方法。
【請求項9】
請求項8記載の表面情報計測方法において、
前記印加量設定工程は、一旦、前記複数の分割電極に同一量の電圧を印加させて、前記Zアクチュエータの先端近傍が前記Z方向に直交するXY方向に変位する変位量及び方向を測定する変位測定工程と、
該変位測定工程後、測定結果に基づいて前記電圧印加量の比率を設定する設定工程とを備えていることを特徴とする表面情報計測方法。
【請求項10】
請求項8記載の表面情報計測方法において、
前記印加量設定工程は、一旦、前記複数の分割電極のそれぞれに同一量の電圧を印加させて、複数の分割電極に接触する前記圧電体の圧電感度をそれぞれ測定する感度測定工程と、
該感度測定工程後、測定結果に基づいて前記電圧印加量の比率を設定する設定工程とを備えていることを特徴とする表面情報計測方法。
【請求項11】
試料表面に平行な面に沿って配されると共に試料表面に垂直なZ方向に伸縮自在なシート状の圧電体と、該圧電体の両面を少なくとも3つ以上の区域にそれぞれ電気的に独立して分割配置された複数の一対電極とを有する圧電素子を、各一対電極が重なり合った状態でZ方向に複数層備えて試料の上方に配された探針を先端に固定した積層型Zアクチュエータに、電圧を印加してZ方向に伸縮させると共に探針を試料表面に近接又は接触させた状態で、試料表面の形状情報又は試料の物理情報を計測する表面情報計測方法であって、
前記複数の一対電極に接触する前記圧電体の伸縮量がそれぞれ同一となるように、各一対電極に印加する電圧印加量の比率を設定する印加量設定工程と、
該印加量設定工程により設定された電圧印加量の比率に応じた電圧を、前記複数の一対電極にそれぞれ同時に印加する電圧印加工程とを備えていることを特徴とする表面情報計測方法。
【請求項12】
探針を先端に有するプローブの下方に配された試料を、上面に載置すると共に試料表面に平行な面に沿って配された平板状の載置台を下面側から支持する少なくとも3つ以上の複数のZアクチュエータに、電圧を印加してZ方向に伸縮させると共に探針を試料表面に近接又は接触させた状態で、試料表面の形状情報又は試料の物理情報を計測する表面情報計測方法であって、
前記複数のZアクチュエータの伸縮量がそれぞれ同一となるように、該複数のZアクチュエータに印加する電圧印加量の比率を設定する印加量設定工程と、
該印加量設定工程により設定された電圧印加量の比率に応じた電圧を、前記複数のZアクチュエータにそれぞれ同時に印加する電圧印加工程とを備えていることを特徴とする表面情報計測方法。
【請求項13】
請求項8から12のいずれか1項に記載の表面情報計測方法において、
前記プローブと前記試料とを、試料表面に平行な方向に向けて相対的に移動させる走査工程を備えていることを特徴とする表面情報計測方法。

【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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【図10】
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【図11】
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【図12】
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【図13】
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【図14】
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