JP2001013057A

JP2001013057A - 走査型プローブ顕微鏡

Info

Publication number: JP2001013057A
Application number: JP11183570A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Ito; 修一伊東
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1999-06-29
Filing date: 1999-06-29
Publication date: 2001-01-19

Abstract

(57)【要約】【課題】高速走査が可能な走査型プローブ顕微鏡を提供
する。【解決手段】ベース１０１に固定されたチューブスキャ
ナー１０２の長手方向の中心にはミラー１０３が、自由
端にはカンチレバー１０６が固定されている。チューブ
スキャナー１０２の周壁には、カンチレバー１０６の変
位検出用のビームが通るための開口１１０と開口１１１
が設けられている。レーザー光源１０５はベース１０１
に固定されており、その射出端には、レーザー光を収束
性のビームに変えるレンズ１１２が固定されている。レ
ーザー光源１０５とミラー１０３の間には、光源１０５
からのレーザー光をミラー１０３に向けて偏向するミラ
ー１０４が配置されている。ＰＤ１０８は調整機構１０
９を介してベース１０１に取り付けられている。ミラー
１０３とＰＤ１０８の間には、ミラー１０３からのレー
ザー光をＰＤ１０８に向けて偏向するミラー１０７が配
置されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば原子オーダ
ーの分解能で試料の表面情報を測定するための走査型プ
ローブ顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、走査型プローブ顕微鏡(ＳＰＭ：S
canning Probe Microscope)の一例として、ビニッヒ(Bi
nnig)やローラー(Rohrer)等によって、走査型トンネル
顕微鏡(ＳＴＭ：Scanning Tunneling Microscope)が発
明されている。しかし、ＳＴＭでは、観察できる試料が
導電性の試料に限られている。そこで、サーボ技術を始
めとするＳＴＭの要素技術を利用し、絶縁性の試料を原
子オーダーの分解能で観察できる装置として原子間力顕
微鏡(ＡＦＭ：Atomic Force Microscope)が提案されて
いる(特開昭６２−１３０３０２号公報参照)。

【０００３】ＡＦＭ構造は、ＳＰＭの一つとして位置付
けられており、例えば図７に示すように、自由端に尖鋭
化した探針２を有するカンチレバー４と、このカンチレ
バー４を支持すると共に、探針２と試料６とを相対的に
移動させるスキャナー８(例えば、チューブ型ピエゾス
キャナーやチューブ型圧電体スキャナーなど)と、カン
チレバー４の自由端の撓み変位を例えば光学的に検出可
能な変位センサ１０とを備えている。

【０００４】カンチレバー４は、その基端部が取付台１
２に支持されており、この取付台１２を介してスキャナ
ー８の移動端に着脱自在に取り付けられている。また、
スキャナー８は、その基端部が所定のベース１４に取り
付けられている。また、変位センサ１０は、レーザー発
振器やフォトセンサ等の光学系を内蔵しており、スキャ
ナー８の移動端に取り付けられている。

【０００５】このような従来技術の構成において、ステ
ージ１６上に載置された試料６に対して探針２を近接さ
せると、探針２先端と試料６表面との間に働く相互作用
(例えば、原子間力、接触力、粘性、摩擦力、磁気力な
ど)によって、カンチレバー４の自由端が変位する。そ
して、この自由端に生じる変位量を光学的に検出しなが
ら(或いは、自由端の変位量を一定に維持するように、
スキャナー８をＺ方向にフィードバック制御しなが
ら)、探針２を試料６表面に沿ってＸＹ方向に相対的に
走査することによって、試料２の表面情報等(例えば、
凹凸情報)が三次元的に測定される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来技
術の構成では、カンチレバー４と変位センサ１０と取付
台１２が、スキャナー８の移動端に取り付けられている
ため、スキャナー８の移動端に加わる質量が増大して、
スキャナー８の移動端の運動質量が大きくなる。このた
め、スキャナー８の共振周波数が低くなり、ＸＹＺ方向
の走査応答性が低下してしまう。

【０００７】このような走査応答性の低いスキャナー８
(換言すれば、移動端の運動質量の大きなスキャナー８)
を用いて、例えば図８に示すような急激な段差６ａを有
する試料６(半導体の回路パターン等)の表面情報を測定
する場合、ＸＹ方向の走査速度を上げたとき、スキャナ
ー８のＺ方向への変位動作が追いつかなくなり、その結
果、試料６の表面情報を正確に測定できないという問題
が生じる。

【０００８】本発明は、このような問題を解決するため
に成されたものであり、その目的は、高速走査が可能な
走査型プローブ顕微鏡を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、レーザー光を
射出する光源と、レーザー光を反射する面を持つカンチ
レバーと、試料に対してカンチレバーを走査する微動機
構と、カンチレバーで反射されたレーザー光を検出する
受光素子とを備えている走査型プローブ顕微鏡におい
て、光源からのレーザー光をカンチレバーに向けて偏向
するとともに、カンチレバーで反射されたレーザー光を
受光素子に向けて偏向する、微動機構に搭載されたミラ
ーを更に備えていることを特徴とする。

【００１０】一例においては、前記微動機構は円筒型圧
電体であり、前記ミラーが円筒型圧電体の先端の角度変
位の１/２の角度変位をする位置に配置されている。

【００１１】好ましくは、前記微動機構は円筒型圧電体
であり、前記ミラーの面は円筒型圧電体の中心を含んで
いる。

【００１２】より好ましくは、前記測定光は平行光であ
り、受光素子の直前にレンズが配置されている。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態について説明する。

【００１４】［第一実施形態］まず、第一の実施の形態
について図１を用いて説明する。

【００１５】ベース１０１には、三次元的に走査する微
動機構であるチューブスキャナー(円筒型圧電体)１０２
が固定されている。チューブスキャナー１０２の長手方
向の中心にはミラー１０３が固定されている。また、チ
ューブスキャナー１０２の自由端には、試料の表面を走
査するためのカンチレバー１０６が固定されている。さ
らに、チューブスキャナー１０２の周壁には、カンチレ
バー１０６の変位検出用のビームが通るための開口１１
０と開口１１１が設けられている。

【００１６】ベース１０１には、レーザー光を射出する
レーザー光源１０５が固定されている。レーザー光源１
０５の射出端には、レーザー光源１０５から射出される
レーザー光を、カンチレバー１０６上に集光する収束性
のビームに変えるためのレンズ１１２が固定されてい
る。レーザー光源１０５とミラー１０３の間の光路上に
は、レーザー光源１０５からのレーザー光をミラー１０
３に向けて偏向するミラー１０４が配置されており、こ
れはベース１０１に固定されている。

【００１７】また、ベース１０１には、調整機構１０９
に載置されたＰＤ(フォトディテター)１０８が取り付け
られている。ミラー１０３とＰＤ１０８の間の光路上に
は、ミラー１０３からのレーザー光をＰＤ１０８に向け
て偏向するミラー１０７が配置されており、これはベー
ス１０１に固定されている。

【００１８】レーザー光源１０５から射出されたレーザ
ー光は、レンズ１１２によって収束性のビームに変えら
れ、ミラー１０４で反射され、開口１１０を通過して、
ミラー１０３に向かう。ミラー１０３に入射したレーザ
ー光は、そこで反射され、カンチレバー１０６上の所定
の位置に集光する。カンチレバー１０６の表面で反射さ
れた光は、再びミラー１０３に向かい、そこで反射さ
れ、開口１１１を通過し、ミラー１０７で反射され、最
後にＰＤ１０８に入射してスポットを形成する。

【００１９】まず、スキャンによって、カンチレバー１
０６の位置がＸＹ方向に移動したとき、入射するレーザ
ー光も追従して移動されなければならない。実際にスキ
ャン中のチューブスキャナーの動作を説明する。

【００２０】例えば図２(ａ)に示すように、チューブス
キャナー１０２の移動端の中心１０２ａのＸＹ方向の変
位量をｄ、角度変化量をθ、チューブスキャナー１０２
の長さをＬ、ある電圧を印加した際のチューブスキャナ
ー１０２の移動端の中心１０２ａの曲率をＲとすると、
変位量ｄと角度変化量θとの関係は、ｄ＝Ｒ(１−ｃｏｓθ)＝２Ｒｓｉｎ²(θ/２)…(１) である。また、Ｌ＝Ｒ・θ…(２) であるから、ｄ＝(２Ｌ/θ)ｓｉｎ²(θ/２)…(３) となる。

【００２１】ここで、θ<<１であるから、ｄ≒(２Ｌ/θ)・(θ/２)²＝Ｌ・θ/２…(４) となる。従って、 θ≒２ｄ/Ｌ…(５) となる。

【００２２】(５)式から明らかなように、チューブスキ
ャナー１０２の移動端の角度変化θは、チューブスキャ
ナー１０２の移動端の変位ｄに比例する。従って、チュ
ーブスキャナー１０２の移動端の中心２ａを通る法線の
角度変化は変位ｄに比例する。

【００２３】図２(ｂ)において、チューブスキャナー１
０２に電気信号が印加されない状態の中心線００'と、
チューブスキャナー１０２の移動端がｄだけ変位したと
きの移動端面の中心線ＣＣ'とは、交点Ｑで互いに交わ
る。

【００２４】ここで、中心線ＣＣ'は、(５)式から、点
(ｄ,−Ｌ)を通り、傾きθ≒−２ｄ/Ｌの直線なので、Ｚ−(−Ｌ)≒−(Ｌ/２ｄ)・(Ｘ−ｄ)…(６) となる。Ｑ点の座標は、Ｘ＝０であるから、Ｚ≒−(Ｌ/２)…(７) となる。また、Ｚ＝０のとき、Ｘ≒−ｄ…(８) となる。

【００２５】従って、Ｑ点は、線分１０２ｂ・１０２ｃ
の中点、つまり、チューブスキャナー１０２に電気信号
を印加しない状態において、チューブスキャナー１０２
を包絡する空間の中心点となる。なお、本明細書中で
は、この中心点をチューブスキャナー１０２の中心(チ
ューブスキャナー１０２のＬ/２の面上の中心)と呼ぶ。
なお、上述した式(６)〜(８)が成立するのは、ｄが小さ
いときに限られる。

【００２６】以上から、チューブスキャナー１０２が変
位したとき、チューブスキャナー１０２の中心からチュ
ーブスキャナー１０２の移動端の中心１０２ａに向かっ
て角度θで測定光を発すれば、チューブスキャナー１０
２の移動端の中心１０２ａを追従できる。

【００２７】つまり、チューブスキャナー全長の半分の
長さの位置にミラー１０３を配置し、その角度を常に、
チューブスキャナー１０２の端面角度がθのときに、θ
/２だけ変位するようにし、その中心を測定光の反射点
にすれば、ミラー１０３による反射光は常にカンチレバ
ー１０６の反射点１０６ａに向かう。

【００２８】次に、チューブスキャナー１０２の中心に
設けられた、ミラー１０３の角度変化がθ/２であるこ
とを図３を用いて説明する。図３はチューブスキャナー
１０２の端面がθだけ角度変化した様子を示している。
チューブスキャナー１０２の変形時に、チューブスキャ
ナー１０２の中心線を１０２ｅ、伸びた方の側面の円弧
部分を１０２ｄ、縮んだ方の側面の円弧部分を１０２
ｆ、ふたつの円弧の中心をＯとする。円弧１０２ｅの中
点をＳとする。図から明らかなように、中点ＳとＯを結
ぶ線分の角度はθ/２となる。また、チューブスキャナ
ー１０２が変位したときの角度変化θは、十分小さいの
で、この中点Ｓと図２の点Ｑは、ほぼ一致する。

【００２９】以上の説明から分かるように、チューブス
キャナー１０２の中心に配置されたミラー１０３の中心
で反射されたレーザー光は、常にカンチレバー１０６上
の反射点１０６ａに入射する。つまり、ビームはカンチ
レバー１０６に常に追従する。

【００３０】ＰＤ上のビームの変位について図４を用い
て説明する。図４は、チューブスキャナー１０２内に設
けられたミラー１０３からＰＤ１０８までの光路を示し
ている。実線はカンチレバーが変位する前の光路を示
し、破線はチューブスキャナーの変位よりカンチレバー
がθだけ角度変位したときの光路を示している。カンチ
レバー１０６がθだけ変位したとき、チューブスキャナ
ー１０２の中心に固定されたミラー１０３はθ/２だけ
変位する。そのとき、レーザー光１０５ａは(θ/２)×
２＝θだけ角度変化する。

【００３１】次に、カンチレバー６で反射したレーザー
光１０５ｂは、カンチレバー１０６の角度変化θにより
２×θ変化するので、前述のミラー１０３の角度変化に
よる成分と合計して２θ−θ＝θだけ角度変化する。

【００３２】次にミラー１０３ａで反射したレーザー光
１０５ｃは、ミラー１０３ａの角度変化θ/２により、
(θ/２)×２＝θだけ変化するので、前述のレーザー光
１０５ｂの角度変化θとあわせて、変化はθ−θ＝０と
なる。すなわち、レーザー光１０５ｃは、チューブスキ
ャナーが角度変化しても、角度変化しない。

【００３３】また、詳細に図を書くと明らかなように、
ミラー１０３における１回目の反射点がその回転中心Ｑ
のとき、レーザー光１０５ｃは横変位を生じない。従っ
て、チューブスキャナーが角度変化してもレーザー光１
０５ｃは全く同一の光路を通る。

【００３４】以上の説明から分かるように、本実施形態
の構成では、チューブスキャナーが変位しても、レーザ
ー光は常にカンチレバーに追従して入射し、その反射光
は常にＰＤ１０８の同一の点に入射する。従って、ＰＤ
１０８上のビーム位置は、スキャンにより変化すること
はなく、ＳＰＭ測定時に、試料の表面に応じてカンチレ
バーの角度が変化したときのみ移動する。その移動量を
モニターすることにより、ＳＰＭ測定が可能になる。そ
の先の信号処理、ＳＰＭ測定の実際については、通常の
測定と同一なので、その説明を省略する。

【００３５】また、試料表面の凹凸に対応して、チュー
ブスキャナー１０２がＺ方向に動くとき、ミラー１０３
がＺ方向に移動するため、レーザー光の平行移動を生じ
る。その移動成分が測定時の誤差になる可能性がある
が、ミラー１０３への入射角度を小さくすれば十分無視
できる。

【００３６】以上の説明では、ミラー３の取り付け角度
は、微動機構がＸＹ方向に変位していないときに反射光
が微動機構の中心線上を通るようにしたが、これに限ら
ない。反射光が微動機構の中心線に対してある角度をも
ってカンチレバーに届く構成でも同様の利点が得られ
る。

【００３７】また、微動機構の印加電圧に対する非線形
性がある場合や、光学上の調整の都合により微動機構の
Ｚ変位やカンチレバーの変位がない場合でも、ＸＹ変位
によって誤差を発生する場合では、予め予測しておいた
結果に基づいて測定値を補正することも可能である。

【００３８】チューブスキャナー１０２に搭載される要
素が、ミラー１０３とカンチレバー１０６のみなので、
搭載荷重が非常に小さい。従って、チューブスキャナー
１０２の共振周波数が高くなる。その結果、従来に比べ
て高速な走査が可能である。

【００３９】［第二実施形態］本発明の第二実施形態に
ついて説明する。本実施形態は、ＰＤとレンズ付近以外
の構成は第一実施形態と実質的に同じであり、両者の相
違部分である本実施形態のＰＤとレンズ付近の構成を図
５に示す。

【００４０】本実施形態では、第一実施形態と異なり、
レンズ１１２は、レーザー光源１０５から射出されたレ
ーザー光を平行光のビームに変えるとともに、図５に示
されるように、ミラー１０７とＰＤ１０８の間の光路上
に、レンズ１２４が配置されている。

【００４１】第一実施形態では、レンズ１１２はレーザ
ー光を収束性のビームに変えているが、本実施形態で
は、レンズ１１２はレーザー光を平行光のビームに変え
ている。この平行光のビームは、ミラー１０４とミラー
１０３とカンチレバー１０６とミラー１０３とで順に反
射された後(図１参照)、図５に示されるように、ミラー
１０７で反射され、レンズ１２４により収束性のビーム
に変えられ、ＰＤ１０８上に集光する。

【００４２】図５において、実線で描かれたビーム１２
１は、カンチレバーもチューブスキャナーもＺ方向に変
位していないときのビームを示し、一点鎖線で描かれた
ビーム１２２は、チューブスキャナー１０２が試料の凹
凸に従ってＺ方向に変位したときのビームを示し、破線
で描かれたビーム１２３は、カンチレバーのみがたわみ
変位を起こし角度が変化したときのビームを示してい
る。

【００４３】本実施形態では、第一実施形態と同様に、
カンチレバーが変位していないとき、ビームは、参照符
号１２１で示されるように、チューブスキャナー１０２
のＸＹ方向の変位に関係なく、常にカンチレバーに追従
して入射し、その反射光は常にＰＤ１０８上に点１２５
に入射する。

【００４４】チューブスキャナー１０２が試料の凹凸に
従ってＺ方向に変位すると、ビームは、参照符号１２２
に示されるように、ビーム１２１に対して平行にずれ
る。この場合も、ＰＤ１０８上に点１２５に入射する。
つまり、ＰＤ１０８上の集光位置は、チューブスキャナ
ー１０２のＺ方向変位の影響を受けない。

【００４５】カンチレバーがたわみ変位を起こして角度
が変化すると、ビームは、参照符号１２３で示されるよ
うに、ビーム１２１に対して傾きを持つようになり、Ｐ
Ｄ１０８上において点１２５と異なる点１２６に集光す
る。

【００４６】このように、本実施形態では、ＰＤ１０８
上のビームの集光位置は、チューブスキャナー１０２の
ＸＹ方向の変位はもとより、Ｚ方向の変位によっても変
化することなく、カンチレバーの角度の変化のみに応じ
て移動する。従って、ＰＤ１０８上の集光位置のずれ量
をモニターすることにより、正確なＳＰＭ測定が行なえ
る。

【００４７】これまで、いくつかの実施の形態について
図面を参照しながら具体的に説明したが、本発明は、上
述した実施の形態に限定されるものではなく、その要旨
を逸脱しない範囲で行なわれるすべての実施を含む。

【００４８】言い換えれば、本発明の範囲内において種
々多くの変形や変更が可能である。例えば、チューブス
キャナーは、図６に示されるように、ＸＹ方向用チュー
ブスキャナー１３１とＺ方向用チューブスキャナー１３
２が中間部材１３３を介して連結された構成であっても
よい。

【００４９】このようなチューブスキャナーは、ＸＹ方
向の動きとＺ方向の動きが独立しているので、ＳＰＭ測
定に悪影響を与える要因が少ないという利点を有してい
る。また、カンチレバー１０６と向き合うミラー１０３
は、中間部材１３３の下側に設けられるため、チューブ
スキャナー１０２の組み立てが容易に行なえるという利
点を有している。

【００５０】

【発明の効果】本発明によれば、微動機構に搭載される
要素がミラーとカンチレバーだけなので微動機構の共振
周波数が高められることにより、高速走査が可能な走査
型プローブ顕微鏡が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施形態による走査型プローブ顕
微鏡の構成を概略的に示している。

【図２】(ａ)は、チューブスキャナーの移動端の変位と
角度変化の関係を示し、(ｂ)は、発光素子の発光点の軌
跡を示している。

【図３】チューブスキャナーの端面がθだけ角度変化し
た様子を示している。

【図４】チューブスキャナー内に設けられたミラーから
ＰＤまでの光路を示している。

【図５】第一実施形態との相違部分である第二実施形態
におけるＰＤとレンズ付近の構成を示している。

【図６】図１に示されるチューブスキャナーの代わりに
適用可能な、中間部材を介してＸＹ方向用チューブスキ
ャナーとＺ方向用チューブスキャナーとが連結された構
成のチューブスキャナーを示している。

【図７】従来技術に係る走査型プローブ顕微鏡の構成を
概略的に示している。

【図８】従来技術の走査型プローブ顕微鏡によって急激
な段差を有する試料の表面情報を測定している状態を示
している。

【符号の説明】

１０２チューブスキャナー１０３ミラー１０５レーザー光源１０６カンチレバー１０８ＰＤ(フォトダイオード)

フロントページの続きＦターム(参考） 2F063 AA43 BD20 CA11 CA34 DA01 DD02 EA16 EB15 EB23 GA57 JA04 ZA01 2F065 AA02 AA06 AA09 AA49 FF01 GG06 HH04 HH12 JJ01 JJ16 JJ18 JJ25 LL04 LL12 LL62 MM03 PP22 PP24 UU01 UU07 2F069 AA06 AA57 AA60 BB40 DD15 DD27 GG04 GG06 GG07 GG62 HH05 HH09 JJ13 LL03 MM04 MM32

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザー光を射出する光源と、レーザー光を反射する面を持つカンチレバーと、試料に対してカンチレバーを走査する微動機構と、カンチレバーで反射されたレーザー光を検出する受光素
子とを備えている走査型プローブ顕微鏡において、光源からのレーザー光をカンチレバーに向けて偏向する
とともに、カンチレバーで反射されたレーザー光を受光
素子に向けて偏向する、微動機構に搭載されたミラーを
更に備えていることを特徴とする、走査型プローブ顕微
鏡。
【請求項２】前記微動機構は円筒型圧電体であり、前
記ミラーが円筒型圧電体の先端の角度変位の１/２の角
度変位をする位置に配置されていることを特徴とする、
請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項３】前記微動機構は円筒型圧電体であり、前
記ミラーの面は円筒型圧電体の中心を含むことを特徴と
する、請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
【請求項４】前記測定光が平行光であり、受光素子の
直前にレンズを配置したことを特徴とする、請求項２に
記載の走査型プローブ顕微鏡。