JP2005147979A - 走査形プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明が解決しようとする課題は、カンチレバーから反射するレーザ光を受光する機構が、複雑で大きい点である。
【解決手段】探針と試料を相対的に走査する走査形プローブ顕微鏡において、前記探針を支持する弾性体を有するカンチレバーと、前記カンチレバーを加振する加振手段と、前記カンチレバーに光を照射する光源と、前記光に対する前記カンチレバーからの反射光を受光する光導波路と、を備え、振動する前記カンチレバーの所定位置からの前記反射光を前記光導波路で受光する。
【選択図】 図１

Description

本発明は走査形トンネル顕微鏡、原子間力顕微鏡、磁気力顕微鏡、摩擦力顕微鏡、マイクロ粘弾性顕微鏡、表面電位差顕微鏡及びその類似装置の総称である走査形プローブ顕微鏡に関するものである。

走査形プローブ顕微鏡は、探針を金属、半導体、絶縁体、高分子材料又は生体等の試料表面に接近させ、探針と試料表面に生ずるトンネル電流や原子間力等が一定になるよう試料表面をなぞることにより原子レベルの表面形状及び物性を測定する顕微鏡である。

原子間力顕微鏡のノンコンタクトモードでは、試料表面と探針間の原子間引力を用いて観察・測定を行う。非接触距離から原子間引力を検出して観察するので、試料へのダメージは少なく、試料の最表面を正確に観察することができる。

従来は、探針側を固定して、試料側をスキャンしていた。近年、半導体ウェハ等に対応した試料ステージの大型化、試料の加熱や冷却に対応した高機能化が進む中で、試料側をスキャンすると良好な応答性を得られない等の問題が生じ、探針側をスキャンする必要がある。

図６は従来の改良技術である探針側をスキャンする原子間力顕微鏡のノンコンタクトモードのシステム図である。先端にプローブを有するカンチレバーが試料に対向して設置されている。試料は図示しないベースに固定され、カンチレバーはＸＹＺ方向に変位自在なスキャナに設置されている。カンチレバーの固定端には振動させるためのピエゾ素子を備えている。カンチレバーはその長さや厚さによって数十kHzから数百kHzの固有振動数を有しており、ピエゾ素子にこの固有振動周波数を加えると、探針が構成されている自由端が固有振動周波数で数nm程度上下動する。このときの状態を定常状態として探針を試料に接近させた場合、最下点で探針−試料間に原子間引力が作用する。探針が原子間引力を受けると、カンチレバーのバネ定数が見かけ上変化したことになり、定常状態の振動周波数ｆ_０に比べて周波数が低く（振動周期が長く）なる。カンチレバーの先端にレーザダイオードのレーザ光が照射されており、カンチレバーから反射されたレーザ光は分割フォトディテクタで検出している。カンチレバーが変位すると分割フォトディテクタに入射するレーザ光のスポットがシフトする。これに合わせて分割フォトディテクタの出力が変化し、カンチレバーの変位を検出することができる。この光てこ方式において、カンチレバーから反射されたレーザ光に含まれる周波数成分の内から、引力の作用による周波数変化Δf、振幅変化ΔA、位相変化のいずれかをフィードバック信号として、スキャナをＺ方向に変位させることにより探針−試料間の距離を一定に保つようにしている。フィードバック信号の検出においては、大気中では間接的に周波数シフトを検出するスロープ検出が、真空中では直接それを検出するＦＭ検出法が使用されているのが一般的である。この時のスキャナに入力する電圧を距離換算したデータに基づいて凹凸情報として画像化している。スキャナはＸＹドライバより印加される電圧によりＸＹ方向にスキャンされるため、試料表面の凹凸像が得られる。

しかし、従来の改良技術において、探針側をスキャンする場合には、図６における、レーザダイオード４、フォトディテクタ７も同時にスキャンする必要がある。また、それに付随するレーザ光をカンチレバー上に照射するためのレーザダイオードの図示しない位置調整機構、カンチレバーから反射したレーザ光を分割フォトディテクタに合わせるための図示しない調整機構も一緒に動かすことになる。このため、スキャナ自由端の構造が複雑で重くなってしまい、良好な走査性、応答性が得られなかった。

なお、従来技術としては、光ファイバー干渉計による測定がある（例えば、非特許文献１）。

特許庁ホームページ 標準技術集＞表面構造の原子領域分析＞３−Ｂ−３−ｂ２：光ファイバー干渉計による測定

本発明が解決しようとする課題は、カンチレバーから反射するレーザ光を受光する機構が、複雑で大きい点である。

第１の発明は、探針と試料を相対的に走査する走査形プローブ顕微鏡において、前記探針を支持する弾性体を有するカンチレバーと、前記カンチレバーを加振する加振手段と、前記カンチレバーに光を照射する光源と、前記光に対する前記カンチレバーからの反射光を受光する光導波路と、を備え、振動する前記カンチレバーの所定位置からの前記反射光を前記光導波路で受光することを特徴とする。

第２の発明は、前記光導波路が光ファイバであることを特徴とする。

第３の発明は、前記カンチレバー側を試料に対して走査することを特徴とする。

第４の発明は、前記試料側をカンチレバーに対して走査することを特徴とする。

本発明により、カンチレバーから反射するレーザ光を受光する機構が簡単になり、小さく軽量にできる。

レーザ光を受光する機構を簡単にするという目的を、光導波路を用いることで実現した。

本発明の構成を図１を用いて説明する。自由端の先端に探針２を有するカンチレバー１が試料１７に対向して設置されている。カンチレバー１の他端は、ピエゾ素子３、カンチレバー取付ベース１６を介して、ＸＹＺ方向に変位自在な円筒形状のスキャナ５の自由端に固定されている。スキャナ５の他端は図示しないベースに固定されている。スキャナ５の内部を通る光ファイバ６の光ファイバ下面１８はスキャナ５内部に設置されたＸＹＺ方向に変位自在な光ファイバ位置調整機構１５により支持されており、カンチレバー１の背面に照射するように微調整自在である。

光ファイバ上面１９の上方にはレーザダイオード４が設置されており、レーザダイオード４から照射されたレーザ光はハーフミラー８を経て光ファイバ上面１９に入射する。また、ハーフミラー８の直角方法にはフォトディテクタ７が設置されており、光ファイバ上面１９から出射されたレーザ光がハーフミラー８で直角に反射されフォトディテクタ７で検出される。

フォトディテクタ７には波形調整器９が電気的に接続される。波形調整器９からの出力は、発振制御アンプ１１を介して、ピエゾ素子３に入力される。また、波形調整器９からの分岐された出力はＦＭ復調器１０を介して、Ｚドライバ１３に入力され、Ｚドライバ１３からの出力はスキャナ５の図示しないＺ電極に入力される。また、ＦＭ復調器１０からの分岐された出力は制御コンピュータ１２に入力される。

次に、上記の構成の動作を図１乃至図４を用いて行う。図２は光ファイバ部分の詳細図である。レーザダイオード４より出たレーザ光は光ファイバ上面１９から光ファイバ６に入射し、光ファイバ６を通って下面より出射しカンチレバー１背面に照射される。光ファイバ６とカンチレバー１背面が正確に対向していれば、カンチレバー１の背面からの反射レーザ光は再び光ファイバ下面１８より光ファイバ６内に入射し、光ファイバ６を通って光ファイバ上面１９より出射し、ハーフミラー８で直角に反射してフォトディテクタ７に入射される。

図３はカンチレバーが振動した場合である。カンチレバー１が振動すると、カンチレバー１中心以外の位置からの反射レーザ光Ｂ２１、反射レーザ光Ｃ２２は左右に振れ、光ファイバ下面１８の開口から外れる。よって、反射レーザ光Ａ２０はフォトディテクタ７に入射されるが、反射レーザ光Ｂ２１、反射レーザ光Ｃ２２はフォトディテクタ７に入射されない。

このとき、フォトディテクタ７の出力を横軸を時間にプロットすると、図４のようになる。カンチレバー１の振動の行きと帰りでフォトディテクタ７の出力ピークを取るので、カンチレバー１の発振の１周期はフォトディテクタ７のピーク２つに相当する。この信号によりカンチレバー１の周波数を検出することができ、ＦＭ検出を行うことができる。この周波数変化をフィードバック信号として、スキャナをＺ方向に変位させることにより探針−試料間の距離を一定に保つようにしている。この時のスキャナに入力する電圧を距離換算したデータに基づいて凹凸情報として画像化している。スキャナ５はＸＹドライバより印加される電圧によりＸＹ方向にスキャンされるため、試料表面の凹凸像が得られる。

なお、本発明は上記の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、本発明を用いてスロープ検出を行うようにしてもよい。

図５は本発明の別の実施例である。図５において、実施例１と同一の構成要素には同一番号を付し、説明を省略する。レーザ光照射部及びレーザ光検出部は同様である。本実施例と実施例１の異なる点は、カンチレバー側を固定し、試料側をＸＹドライバより印加される電圧によりＸＹ方向にスキャンし、Ｚ方向も変位させることである。実施例１と同様に、スキャナに入力する電圧を距離換算したデータに基づいて凹凸情報として画像化し、試料表面の凹凸像が得られる。

本発明による走査形プローブ顕微鏡の実施例１である。 図１における光ファイバ部の詳細図である。 図２におけるカンチレバー振動時の動作説明図である。 フォトディテクタ出力の検出図である。 本発明による走査形プローブ顕微鏡の実施例２である。 従来の改良技術である探針側をスキャンする走査形プローブ顕微鏡である。

符号の説明

１ カンチレバー
２ 探針
３ ピエゾ素子
４ レーザダイオード
５ スキャナ
６ 光ファイバ
７ フォトディテクタ
８ ハーフミラー
９ 波形調整器
１０ ＦＭ復調器
１１ 発振制御アンプ
１２ 制御コンピュータ
１３ Ｚドライバ
１４ Ｘ・Ｙドライバ
１５ 光ファイバ位置調整機構
１６ カンチレバー取付ベース
１７ 試料
１８ 光ファイバ下面
１９ 光ファイバ上面
２０ 反射レーザ光Ａ
２１ 反射レーザ光Ｂ
２２ 反射レーザ光Ｃ
２３ フォトディテクタ出力

Claims (4)

1. 探針と試料を相対的に走査する走査形プローブ顕微鏡において、
   前記探針を支持する弾性体を有するカンチレバーと、
   前記カンチレバーを加振する加振手段と、
   前記カンチレバーに光を照射する光源と、
   前記光に対する前記カンチレバーからの反射光を受光する光導波路と、を備え、
   振動する前記カンチレバーの所定位置からの前記反射光を前記光導波路で受光することを特徴とした走査形プローブ顕微鏡。
2. 前記光導波路が光ファイバであることを特徴とした請求項１に記載した走査形プローブ顕微鏡。
3. 前記カンチレバー側を試料に対して走査することを特徴とした請求項１又は請求項２に記載した走査形プローブ顕微鏡。
4. 前記試料側をカンチレバーに対して走査することを特徴とした請求項１又は請求項２に記載した走査形プローブ顕微鏡。
   

Images