JP2005300280A - マイクロスケール変位検出装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザ光源からからの光を被計測物体で反射させ、この反射光を受光素子で受光するマイクロスケールの変位計測装置において、受光素子に対して被計測物体からの反射光を集光させる凹面鏡を容易に、且つ確実に被計測物体に設けることことができるようにする。
【解決手段】 被計測物体としての原子間力顕微鏡のカンチレバー１６にレーザ光源２０からの光を投射し、その反射光を２分割受光素子２３で検出する装置において、カンチレバー１６の背面２２の前記光の投射位置に、直接マイクロスケールの凹面部を形成する。凹面部としては通常の凹面鏡、フレネル凹面鏡、溝角度が鋭角な凹面回折格子、溝角度が直角な凹面回折格子等の形状に形成する。その凹面鏡の形成に際しては、フォーカスドイオンビーム法、エッチング法等を用いて形成することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は原子間力顕微鏡の力センサーであるカンチレバー等の、被計測物体のマイクロスケールの変位を検出するマイクロスケール変位検出装置及びその製造方法に関する。

原子間力顕微鏡は例えば図１に示すように、ＸＹ軸駆動部１１、Ｚ軸駆動部１２からなる試料駆動装置１０の試料台１３上に試料１４を載置している。また、機体に固定される支持部材１５にカンチレバー１６を支持し、このカンチレバー１６の先端部１７に固定した探針１８を前記試料１４に近接するように配置している。試料１４を探針１８の先端に近接させると探針の先端の原子と試料１４の原子間で反発する力が生じ、カンチレバー１６の弾性によってカンチレバー１６が撓む。この撓みをレーザ光源２０から照射されるレーザ光を集光レンズ２１により集光しつつカンチレバー１６の先端部１７における背面２２に照射し、その反射光を受光素子２３で受光する。その受光信号は制御装置２４に入力され、制御装置２４はＺ軸駆動制御部２５によりＺ軸駆動部１２を作動制御し、ＸＹ軸駆動制御部２６によりＸＹ軸駆動部１１を作動制御することにより試料１４の表面形状の観察を行うようにしている。

原子間力顕微鏡においてはこのように、カンチレバー１６の撓みによる動きを、レーザ光源２０から照射されるレーザ光がカンチレバー１６の背面２２に反射して受光素子２３で受光される反射光を検出する光テコの作用によって拡大して検出している。この受光素子２３としては通常２分割受光素子が用いられ、この受光素子２３上に受光される各素子の受光量によりカンチレバーの変化を検出し観察を行うこととなる。そのため、カンチレバー１６から反射される光は受光素子２３にできる限り集光して受光することがカンチレバー１６の微小な変化を確実に検出する上で好ましい。そのため、例えばカンチレバー１６の背面２２と受光素子２３との間に集光レンズ、或いは集光用凹面鏡を配置することが考えられる。

しかしながら、上記のような集光レンズを用いることは、レンズ通過時の光の減衰等を生じるためできる限り避けなければならない。また、集光用の凹面鏡を配置することは機器の部品点数が増加し、また、その配置の調整を適切に行う作業を必要となるため、製作及びその後の機器操作が複雑となる。この様な部品点数の増加とそれに関連する問題点は、前記の集光レンズを用いる場合も同様に生じる。

更にその対策として、カンチレバー１６に凹面鏡を取り付け、この凹面鏡の焦点部分に近接して受光素子２３を配置することが考えられる。このようにカンチレバー１６に凹面鏡を設けるには、カンチレバーに適合する大きさの微小な凹面鏡を別途製作し、これをマイクロマニピュレータ等によってカンチレバー１６の背面の所定位置に接着することによって固定することとなる。

なお、カンチレバーと２分割受光素子との間に移動調整可能なミラーを設けたものは下記特許文献１に記載されている。
特開６−２５８０６７公報

上記のように、カンチレバー１６に別途製作した凹面鏡を固定するには、多くの手数を要し、且つカンチレバー１６の所定の箇所にこの凹面鏡を固定することは極めて高度で困難な作業が要求され、更にカンチレバーの撓み剛性が大きくなり原子間力顕微鏡の性能を悪化させるため好ましくない。このような問題点は前記のような原子間力顕微鏡のカンチレバーの作動を検出するものに限らず、各種被計測物体のマイクロスケールの移動、或いは角度変化等の変位を検出する際に、光てこを用いるものにおいては同様の問題を生じる。

したがって本発明は、レーザ光源からからの光を被計測物体で反射させ、この反射光を受光素子で受光するマイクロスケールの変位計測装置において、受光素子に対して被計測物体からの反射光を集光させる凹面鏡を容易に、且つ確実に被計測物体に設けることができるようにすることを主たる目的とする。

は上記課題を解決するため、被計測物体に光を投射し、その反射光を受光素子で受光して被計測物体のマイクロスケールの位置或いは角度を検出する物体の変位検出装置において、前記被計測物体の光反射部に対して、直接凹面部を形成したものである。

本発明による他のマイクロスケール変位検出装置は、前記マイクロスケール変位検出装置において、前記被計測物体を原子間力顕微鏡のカンチレバーとしたものである。

本発明による他のマイクロスケール変位検出装置は、前記マイクロスケール変位検出装置において、前記凹面部を凹面鏡としたものである。

本発明による他のマイクロスケール変位検出装置は、前記マイクロスケール変位検出装置において、前記凹面部を複数の溝からなるフレネル凹面鏡としたものである。

本発明による他のマイクロスケール変位検出装置は、前記マイクロスケール変位検出装置において、前記凹面部を、複数の溝からなる凹面回折格子としたものである。

本発明による他のマイクロスケール変位検出装置は、前記マイクロスケール変位検出装置において、前記凹面部を溝角度が直角をなす複数の溝により形成したものである。

本発明によるマイクロスケール変位検出装置の製造方法は、前記凹面部をフォーカスドイオンビームにより形成したものである。

本発明による他のマイクロスケール変位検出装置の製造方法は、前記複数の溝をフォーカスドイオンビームにより形成するに際して、円の径を変化させながら同心円上に彫り込むことによって、マイクロスケールの凹面部を形成したものである。

本発明による他のマイクロスケール変位検出装置の製造方法は、前記凹面部をエッチングにより形成したものである。

カンチレバーの背面に対して受光素子に反射光を集光させるための凹面部を設けることにより、別途カンチレバーの背面と受光素子間に集光レンズを用いたときのような光の吸収等の悪影響を与えることなく、またそのような部分に凹面鏡を配置するときのように、機器の部品点数の増加を招くことが無く、また、その配置の調整を適切に行う作業が不要となり、機器操作が容易となる。また、カンチレバーの背面で反射する光源からの光をカンチレバーに直接形成したので、カンチレバーの背面に対して別途製作した凹面鏡を設けるもののように、製造の困難性の問題及びカンチレバーの剛性に悪影響を与える問題を解決することができる。

更に、この凹面部をフォーカスドイオンビームにより形成し、その際に円の径を変化させながら幾重にも同心円上に彫り込むことによって、マイクロスケールの凹面鏡を形成するものにおいては、非常に単純な加工でマイクロスケールの凹面鏡を容易に形成することができるというメリットが生じる。また、エッチングによって形成したものにおいては、現在高度に発達した半導体素子製造用技術であるエッチング技術を用いて容易に凹面部を形成することができる。

本発明は、原子間力顕微鏡のカンチレバー等の被計測物体からの反射光を集光させて受光素子に受光する作用を、別途の光学機器を用いることなく行い、また被計測物体に別途製造した凹面鏡を設ける必要を無くすことを、カンチレバーの背面に対して受光素子に反射光を集光させるための凹面部を直接形成することにより解決する。

本発明は例えば前記図１に示す原子間力顕微鏡におけるカンチレバー１６の背面２２において、その先端部１７に直接凹面鏡を形成した点に特徴を有するものであるので、原子間力顕微鏡の全体構成及びその作動の説明は省略する。このカンチレバー１６の拡大図を図２に示しており、図２（ａ）には通常の態様の凹面鏡３０を形成した例を示している。

図２（ｂ）に示す凹面鏡はフレネル凹面鏡３１とした例を示しており、このような凹面鏡を形成することにより、カンチレバー１６の剛性を悪化させることが無くなり、かつカンチレバーの所定の弾性に影響を与えることが少なくなる。

図３にはカンチレバー１６に直接形成する凹面鏡の機能をなすものとして、凹面回折格子３３を用いた例を示している。凹面回折格子３３は周知のように、ここに入射する光が反射するとき、その反射光は光の波長に応じて所定の角度で回折し、その凹面形状によって各波長の光はそれぞれ所定の位置に焦点を結ぶ作用がある。このような凹面回折格子３３を用いると、受光素子２３が受光する光の波長を特定の波長とするとき、その特定の波長の焦点部分に例えば２分割受光素子の中心位置を配置することにより、カンチレバーの撓みに対応してその特定の波長の光の受光位置がずれることとなる。そのため、受光素子を例えば緑色等の特定の色を検出可能とすることにより、カンチレバーの変位を測定することができる。

受光素子で特定の色を検出する手段としては種々の態様が考えられ、例えば受光素子の特性の選択或いは設定により、更には受光素子の前面に特定の波長のみを通すフィルタを配置することもでき、また、特定の色のみを発生するレーザ光源を用いても良い。

図３の凹面回折格子においては、各格子の溝角度を鋭角に形成したのに対して、図４に示す凹面回折格子３４は格子の溝角度を直角に形成した例を示している。上記のように形成する格子は任意の段数設けることができる。このように溝角度が直角な凹面回折格子３４は、特に後述するような手法によって極めて容易に形成することができる。

前記図２〜図４に示す凹面部は種々の手段で形成することができるが、特にフォーカスドイオンビーム法（ＦＩＢ法）によって製作することが好ましく、また、図４に示すような回折格子の制作に際しては半導体技術で広く用いられているようなエッチングによって製作することもできる。特にカンチレバーがエッチングによって製作されるとき、同時にこの凹面部分もエッチングによって製造することができる。

イオンビーム法で製作するに際して、例えば前記図４に示す実施例の凹面回折格子のように溝角度が直角をなす凹面回折格子を形成する際には、最初図５（ａ）に示すように、形成する凹面格子の最も大径である直径Ｄ１の第１溝Ｍ１を、図中のＳを中心として最も外側から、イオンビームＢによって円を描きながら中心に向けて次第に回転の直径を縮径し、最終的に中心に至ることによって形成することができる。

なお、上記溝Ｍ１をイオンビームによって形成するに際して、イオンビームを溝Ｍ１の中心側から次第に拡径することによっても形成することができる。続いて同様に、予めプログラムされたイオンビーム操作手段により、直径Ｄ２の第２溝Ｍ２を形成し、以降同様の手法によって図５（ｃ）に示すように最も底部となる第ｎ溝Ｍｎを形成し、最終的に図４に示すような溝角度が直角をなす凹面回折格子を形成することができる。

上記の例においては、最も台形の溝から順にイオンビームによって凹面回折格子を形成した例を示したが、例えば図６に示すように、最初最も底部に位置する第ｎ溝Ｍｎからイオンビームによって形成し、以降同図（ｂ）に示すように次の第ｎ−１溝Ｍｎ−１を形成し、以降同図（ｃ）に示すように、最も表面側である第１溝Ｍ１を形成することによっても、前記と同様に凹面回折格子を形成することができる。

なお、上記のようなイオンビームによる成形手法は、このイオンビームの更に細かな制御によって図２（ａ）（ｂ）に示す凹面鏡、図３に示す鋭角溝を有する凹面回折格子を形成することができる。

上記実施例においては、本発明を原子間力顕微鏡のカンチレバーに適用した例を示したが、本発明によるマイクロスケールの凹面鏡を形成する手段はその他マイクロスケールの作動を行う力センサーの力検出物体として、更には各種物体のマイクロスケールの変位を検出する分野に有効に利用することができる。

本発明を適用する原子間力顕微鏡の模式図である。 （ａ）（ｂ）は本発明によるマイクロスケール凹面鏡の各実施例を示す断面図である。 本発明による凹面部を鋭角溝の凹面解析格子とした例を示す断面図である。 本発明による凹面部を直角溝の凹面解析格子とした例を示す図である。 図４のマイクロスケール凹面鏡の製作方法の実施例の説明図である。 同マイクロスケール凹面鏡の製作方法の他の実施例の説明図である。

符号の説明

１０ 試料駆動装置
１１ ＸＹ軸駆動部
１２ Ｚ軸駆動部
１３ 試料台
１４ 試料
１５ 支持部材
１６ カンチレバー
１７ 先端部
１８ 探針
２０ レーザ光源
２１ 集光レンズ
２２ 背面
２３ 受光素子
２４ 制御回路
２５ Ｚ軸駆動制御部
２６ ＸＹ軸駆動制御部

Claims (9)

1. 被計測物体に光を投射し、その反射光を受光素子で受光して被計測物体のマイクロスケールの位置或いは角度を検出する物体の変位検出装置において、前記被計測物体の光反射部に対して、直接凹面部を形成したことを特徴とするマイクロスケール変位検出装置。
2. 前記被計測物体は、原子間力顕微鏡のカンチレバーであることを特徴とする請求項１記載のマイクロスケール変位検出装置。
3. 前記凹面部は、凹面鏡であることを特徴とする請求項１記載のマイクロスケール変位検出装置。
4. 前記凹面部は、複数の溝からなるフレネル凹面鏡であることを特徴とする請求項１記載のマイクロスケール変位検出装置。
5. 前記凹面部は、複数の溝からなる凹面回折格子であることを特徴とする請求項１記載のマイクロスケール変位検出装置。
6. 前記凹面部は、溝角度が直角をなす複数の溝により形成したことを特徴とする請求項１記載のマイクロスケール変位検出装置。
7. 前記凹面部をフォーカスドイオンビームにより形成したことを特徴とする請求項１記載のマイクロスケール変位検出装置の製造方法。
8. 前記複数の溝をフォーカスドイオンビームにより形成するに際して、円の径を変化させながら同心円上に彫り込むことによって、マイクロスケールの凹面部を形成したことを特徴とする請求項４、５、６のいずれか一つに記載のマイクロスケール変位検出装置の製造方法。
9. 前記凹面部をエッチングにより形成したことを特徴とする請求項４、５、６のいずれか一つに記載のマイクロスケール変位検出装置の製造方法。