JP2694783B2 - 原子間力顕微鏡 - Google Patents
原子間力顕微鏡Info
- Publication number
- JP2694783B2 JP2694783B2 JP3155030A JP15503091A JP2694783B2 JP 2694783 B2 JP2694783 B2 JP 2694783B2 JP 3155030 A JP3155030 A JP 3155030A JP 15503091 A JP15503091 A JP 15503091A JP 2694783 B2 JP2694783 B2 JP 2694783B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- sample
- piezoelectric element
- atomic force
- axis
- force microscope
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q10/00—Scanning or positioning arrangements, i.e. arrangements for actively controlling the movement or position of the probe
- G01Q10/04—Fine scanning or positioning
- G01Q10/06—Circuits or algorithms therefor
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Radiology & Medical Imaging (AREA)
- Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は原子間力顕微鏡に関す
る。
る。
【０００２】
【従来の技術】従来、ミクロンオーダー領域の表面形状
観察には、走査型電子顕微鏡が多く用いられている。最
近では、ビニッヒ他、フィジカルレビューレターズ
（Ｇ．Ｂｉｎｎｉｎｇ ｅｔ ａｌ．，Ｐｈｙｓｉｃａ
ｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ）第４９巻，５７頁
（１９８２年）に開示された走査型トンネル顕微鏡やビ
ニッヒ他、フィジカルレビューレターズ（Ｇ．Ｂｉｎｎ
ｉｎｇ ｅｔ ａｌ．，Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅ
ｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ）第５６巻，９３０頁（１９８６
年）に開示された、絶縁体表面でもそのまま観察ができ
る特徴を有する原子間力顕微鏡が用いられるようになっ
てきた。従来の原子間力顕微鏡のブロック図を図２に示
す。
観察には、走査型電子顕微鏡が多く用いられている。最
近では、ビニッヒ他、フィジカルレビューレターズ
（Ｇ．Ｂｉｎｎｉｎｇ ｅｔ ａｌ．，Ｐｈｙｓｉｃａ
ｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ）第４９巻，５７頁
（１９８２年）に開示された走査型トンネル顕微鏡やビ
ニッヒ他、フィジカルレビューレターズ（Ｇ．Ｂｉｎｎ
ｉｎｇ ｅｔ ａｌ．，Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅ
ｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ）第５６巻，９３０頁（１９８６
年）に開示された、絶縁体表面でもそのまま観察ができ
る特徴を有する原子間力顕微鏡が用いられるようになっ
てきた。従来の原子間力顕微鏡のブロック図を図２に示
す。
【０００３】カンチレバー１０に固定された探針１１を
試料１２の表面に近づけていくと、試料１２と探針１１
間に測定可能な力が作用する。この試料１２と探針１１
間の力によってカンチレバー１０が上下に変位する。レ
ーザー光をカンチレバー１０の先端に当て、反射光をレ
ーザー検出素子１５によって検出することにより探針１
１の変位を反射レーザー光の角度として検出することが
できる。この方法は光てこ方式と呼ばれている。カンチ
レバー１０のバネ定数が既知であれば探針１１の変位を
探針１１と試料１２間の力に換算することができる。こ
の探針１１と試料１２間に働く力を１０-8以下にすれば
試料表面を変形させることはない。探針１１と試料１２
間に働く力を一定にするように圧電素子１３を用いて試
料１２を３次元方向に走査することにより、試料１２の
表面形状を画像化することができる。圧電素子１３の駆
動には圧電素子駆動回路１６を用いる。圧電素子駆動回
路１６とレーザー光検出素子１５はコンピュータ１８に
よって制御する。
試料１２の表面に近づけていくと、試料１２と探針１１
間に測定可能な力が作用する。この試料１２と探針１１
間の力によってカンチレバー１０が上下に変位する。レ
ーザー光をカンチレバー１０の先端に当て、反射光をレ
ーザー検出素子１５によって検出することにより探針１
１の変位を反射レーザー光の角度として検出することが
できる。この方法は光てこ方式と呼ばれている。カンチ
レバー１０のバネ定数が既知であれば探針１１の変位を
探針１１と試料１２間の力に換算することができる。こ
の探針１１と試料１２間に働く力を１０-8以下にすれば
試料表面を変形させることはない。探針１１と試料１２
間に働く力を一定にするように圧電素子１３を用いて試
料１２を３次元方向に走査することにより、試料１２の
表面形状を画像化することができる。圧電素子１３の駆
動には圧電素子駆動回路１６を用いる。圧電素子駆動回
路１６とレーザー光検出素子１５はコンピュータ１８に
よって制御する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
原子間力顕微鏡では、試料のフィートバック制御がｚ軸
方向のみであるために、垂直に切り立った段差や表面粗
さの大きい試料の表面形状を観察すると、表面形状に対
して正確に追従することができないなどの重大な問題点
があった。
原子間力顕微鏡では、試料のフィートバック制御がｚ軸
方向のみであるために、垂直に切り立った段差や表面粗
さの大きい試料の表面形状を観察すると、表面形状に対
して正確に追従することができないなどの重大な問題点
があった。
【０００５】すなわち従来の原子間力顕微鏡では、図４
に示すように、圧電素子のｚ軸に印加した電圧の信号線
３０Ａは、試料３１の段差形状を忠実に反映しない場合
があった。
に示すように、圧電素子のｚ軸に印加した電圧の信号線
３０Ａは、試料３１の段差形状を忠実に反映しない場合
があった。
【０００６】本発明の目的は、上記問題点を解決するた
めに、測定試料をｘ軸，ｙ軸の２次元方向に走査する際
に、測定試料を３次元方向に微小変動させることにより
原子間力が作用している探針の部分を認識し、試料に３
次元デジタルフィートバック制御を行い、表面形状を正
確に追従しうる安定かつ高精度の原子間力顕微鏡を提供
するものである。
めに、測定試料をｘ軸，ｙ軸の２次元方向に走査する際
に、測定試料を３次元方向に微小変動させることにより
原子間力が作用している探針の部分を認識し、試料に３
次元デジタルフィートバック制御を行い、表面形状を正
確に追従しうる安定かつ高精度の原子間力顕微鏡を提供
するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の原子間力顕微鏡
は、探針を取り付けたカンチレバーと、測定試料を３次
元方向に移動させる圧電素子と、この圧電素子を駆動さ
せる圧電素子駆動回路と、前記カンチレバーの角度を検
出するためのレーザー光源およびレーザー光検出素子と
を有する原子間力顕微鏡において、前記測定試料をｘ軸
ｙ軸の２次元方向に走査する際にこの測定試料を３次元
方向に微小変動するように前記圧電素子駆動回路から出
力される信号に微小変調をかける微小変調回路を設けた
ものである。
は、探針を取り付けたカンチレバーと、測定試料を３次
元方向に移動させる圧電素子と、この圧電素子を駆動さ
せる圧電素子駆動回路と、前記カンチレバーの角度を検
出するためのレーザー光源およびレーザー光検出素子と
を有する原子間力顕微鏡において、前記測定試料をｘ軸
ｙ軸の２次元方向に走査する際にこの測定試料を３次元
方向に微小変動するように前記圧電素子駆動回路から出
力される信号に微小変調をかける微小変調回路を設けた
ものである。
【０００８】
【作用】原子間力顕微鏡において、カンチレバーのばね
定数が１Ｎ／ｍのとき、デジタルフィートバックをかけ
るときの観察試料の走査移動距離を１ｎｍ以下にすれ
ば、１回の観察試料移動によって変化する原子間力の値
は、１０-9Ｎ以下となる。観察試料を１回走査するごと
に３次元方向に微小変動、すなわちｘ軸，ｙ軸およびｚ
軸方向に１ｎｍ以下の距離移動させ、そのときの原子間
力の変化率を測定すれば、探針と試料間の原子間力が作
用している探針の位置を知ることができる。ｘｙ平面に
対してｘ軸方向に観察試料を走査している場合、ｙ軸お
よびｚ軸方向の微小変動に対して原子間力の変化がな
く、ｘ軸方向の微小変動に対して原子間力の変化があっ
た場合、走査方向に段差があり、探針の前面で試料との
原子間力が作用していることになる。このときは、次の
走査をｘ軸方向に行わず、ｚ軸方向に行うようにする。
このように３次元デジタルフィートバックを行うことに
より表面形状に対して正確に追従させることができる。
定数が１Ｎ／ｍのとき、デジタルフィートバックをかけ
るときの観察試料の走査移動距離を１ｎｍ以下にすれ
ば、１回の観察試料移動によって変化する原子間力の値
は、１０-9Ｎ以下となる。観察試料を１回走査するごと
に３次元方向に微小変動、すなわちｘ軸，ｙ軸およびｚ
軸方向に１ｎｍ以下の距離移動させ、そのときの原子間
力の変化率を測定すれば、探針と試料間の原子間力が作
用している探針の位置を知ることができる。ｘｙ平面に
対してｘ軸方向に観察試料を走査している場合、ｙ軸お
よびｚ軸方向の微小変動に対して原子間力の変化がな
く、ｘ軸方向の微小変動に対して原子間力の変化があっ
た場合、走査方向に段差があり、探針の前面で試料との
原子間力が作用していることになる。このときは、次の
走査をｘ軸方向に行わず、ｚ軸方向に行うようにする。
このように３次元デジタルフィートバックを行うことに
より表面形状に対して正確に追従させることができる。
【０００９】
【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図１は本発明の一実施例のブロック図であ
る。
て説明する。図１は本発明の一実施例のブロック図であ
る。
【００１０】図１において、試料１２は、３次元方向に
移動可能な圧電素子１３に固定されている。この圧電素
子１３は圧電素子駆動回路１６により駆動されるが、こ
の圧電素子駆動回路１６には、試料１２をｘ軸とｙ軸の
２次元方向に走査する際に試料が３次元方向に微小変動
するように圧電素子駆動回路１６から出力される信号に
微小変調をかけるための微小変調回路１７が接続されて
いる。探針１１が固定されているカンチレバー１０の変
位は、レーザー光の反射角度により検出され、微小変調
回路１７とレーザー光検出素子１５はコンピュータ１８
により制御される。
移動可能な圧電素子１３に固定されている。この圧電素
子１３は圧電素子駆動回路１６により駆動されるが、こ
の圧電素子駆動回路１６には、試料１２をｘ軸とｙ軸の
２次元方向に走査する際に試料が３次元方向に微小変動
するように圧電素子駆動回路１６から出力される信号に
微小変調をかけるための微小変調回路１７が接続されて
いる。探針１１が固定されているカンチレバー１０の変
位は、レーザー光の反射角度により検出され、微小変調
回路１７とレーザー光検出素子１５はコンピュータ１８
により制御される。
【００１１】以下、この実施例を用いた試料の測定を具
体的に説明する。探針１１が付いたカンチレバー１０
は、厚さ１ｍｍのガラス基板上にＡｕを１μｍ成膜し、
その後Ｓｉ3 Ｎ4 を１μｍ成膜した。その上にレジスト
を塗り露光してエッチングを行いＳｉ3 Ｎ4 からなる探
針付きカンチレバーを製作した。試料１２を３次元的に
移動させる圧電素子１３にはチタン酸バリウムセラミッ
クス製のチューブ型のものを用い、加える電圧と伸びの
関係は、ｘ軸方向５１．３ｎｍ／Ｖ、ｙ軸方向５４．２
ｎｍ／Ｖ、ｚ軸方向３．８ｎｍ／Ｖであった。圧電素子
の駆動には、パーソナルコンピュータにデジタル／アナ
ログ（Ｄ／Ａ）コンバータを接続し、そのＤ／Ａコンバ
ータの出力±１０Ｖをブースター回路により±２００Ｖ
に増幅し、プログラマブル電源として用いた。Ｄ／Ａコ
ンバータの分解能は１６ビットのものを用いた。カンチ
レバーの角度検出のために波長７６０ｎｍのレーザー光
源１４を用いた。レーザー光の検出には上下左右の４分
割状に構成されたレーザー光検出素子１５を用いた。レ
ーザー光検出素子１５の出力は、アナログ／デジタル
（Ａ／Ｄ）変換をしてコンピュータに入力した。Ａ／Ｄ
コンバータの分解能は１６ビットのものを用いた。
体的に説明する。探針１１が付いたカンチレバー１０
は、厚さ１ｍｍのガラス基板上にＡｕを１μｍ成膜し、
その後Ｓｉ3 Ｎ4 を１μｍ成膜した。その上にレジスト
を塗り露光してエッチングを行いＳｉ3 Ｎ4 からなる探
針付きカンチレバーを製作した。試料１２を３次元的に
移動させる圧電素子１３にはチタン酸バリウムセラミッ
クス製のチューブ型のものを用い、加える電圧と伸びの
関係は、ｘ軸方向５１．３ｎｍ／Ｖ、ｙ軸方向５４．２
ｎｍ／Ｖ、ｚ軸方向３．８ｎｍ／Ｖであった。圧電素子
の駆動には、パーソナルコンピュータにデジタル／アナ
ログ（Ｄ／Ａ）コンバータを接続し、そのＤ／Ａコンバ
ータの出力±１０Ｖをブースター回路により±２００Ｖ
に増幅し、プログラマブル電源として用いた。Ｄ／Ａコ
ンバータの分解能は１６ビットのものを用いた。カンチ
レバーの角度検出のために波長７６０ｎｍのレーザー光
源１４を用いた。レーザー光の検出には上下左右の４分
割状に構成されたレーザー光検出素子１５を用いた。レ
ーザー光検出素子１５の出力は、アナログ／デジタル
（Ａ／Ｄ）変換をしてコンピュータに入力した。Ａ／Ｄ
コンバータの分解能は１６ビットのものを用いた。
【００１２】フィートバックは次のようにして行った。
ｘ軸，ｙ軸，ｚ軸微小変動による原子間力の変化率
ｘt , ｙt , ｚt をそれぞれ測定する。
ｘ軸，ｙ軸，ｚ軸微小変動による原子間力の変化率
ｘt , ｙt , ｚt をそれぞれ測定する。
【００１３】（１）ｘ軸走査の場合 ｘt ＜（ｚt ／１０）のときは、圧電素子のｚ軸方向に
フィートバックをかける。
フィートバックをかける。
【００１４】（ｚt ／１０）≦ｘt ＜１０ｚt のとき
は、ｘ軸およびｚ軸方向にフィートバックをかける。
は、ｘ軸およびｚ軸方向にフィートバックをかける。
【００１５】１０ｚt ≦ｘt のときはｘ軸方向にフィー
トバックをかける。
トバックをかける。
【００１６】（２）ｙ軸走査の場合 ｙt ＜（ｚt ／１０）のときは、圧電素子のｚ軸方向に
フィートバックをかける。
フィートバックをかける。
【００１７】（ｚt ／１０）≦ｙt ＜１０ｚt のとき
は、ｙ軸およびｚ軸方向にフィートバックをかける。
は、ｙ軸およびｚ軸方向にフィートバックをかける。
【００１８】１０ｚt ≦ｙt のときはｙ軸方向にフィー
トバックをかける。
トバックをかける。
【００１９】本実施例を用いた試料表面の観察方法によ
り測定した結果を図３に示す。測定試料は、幅１μｍ，
高さ２μｍのラインアンドスペースパターンを用いた。
図３における３０は本実施例による原子間力顕微鏡によ
り測定したものであり、圧電素子のｚ軸に印加した電圧
の信号線である。３１は走査型電子顕微鏡により測定し
たラインアンドスペースパターンを有する試料の断面で
ある。段差の形状が正確に測定できていることがわか
る。また、探針と試料との接触もまったく発生しなかっ
た。
り測定した結果を図３に示す。測定試料は、幅１μｍ，
高さ２μｍのラインアンドスペースパターンを用いた。
図３における３０は本実施例による原子間力顕微鏡によ
り測定したものであり、圧電素子のｚ軸に印加した電圧
の信号線である。３１は走査型電子顕微鏡により測定し
たラインアンドスペースパターンを有する試料の断面で
ある。段差の形状が正確に測定できていることがわか
る。また、探針と試料との接触もまったく発生しなかっ
た。
【００２０】図４に示した従来の原子間力顕微鏡による
結果では段差形状を忠実に反映しておらず、凹部の両方
の角の角度が鈍角で測定されていることがわかる。
結果では段差形状を忠実に反映しておらず、凹部の両方
の角の角度が鈍角で測定されていることがわかる。
【００２１】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、原子間力
顕微鏡に微小変調回路を設けることにより、３次元デジ
タルフィートバックを用いることができるため、安定か
つ高精度で表面形状の観察を行うことができるという効
果がある。
顕微鏡に微小変調回路を設けることにより、３次元デジ
タルフィートバックを用いることができるため、安定か
つ高精度で表面形状の観察を行うことができるという効
果がある。
【図１】本発明の一実施例のブロック図。
【図２】従来の原子間力顕微鏡のブロック図。
【図３】実施例により測定した試料の断面図。
【図４】従来の原子間力顕微鏡により測定した試料の断
面図。
面図。
１０ カンチレバー １１ 探針 １２ 試料 １３ 圧電素子 １４ レーザー光源 １５ レーザー光検出素子 １６ 圧電素子駆動回路 １７ 微小変調回路 １８ コンピュータ ３０，３０Ａ 信号線 ３１ 試料
Claims (1)
- 【請求項１】 探針を取り付けたカンチレバーと、測定
試料を３次元方向に移動させる圧電素子と、この圧電素
子を駆動させる圧電素子駆動回路と、前記カンチレバー
の角度を検出するためのレーザー光源およびレーザー光
検出素子とを有する原子間力顕微鏡において、前記測定
試料をｘ軸ｙ軸の２次元方向に走査する際にこの測定試
料を３次元方向に微小変動するように前記圧電素子駆動
回路から出力される信号に微小変調をかける微小変調回
路を設けたことを特徴とする原子間力顕微鏡。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3155030A JP2694783B2 (ja) | 1991-06-27 | 1991-06-27 | 原子間力顕微鏡 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3155030A JP2694783B2 (ja) | 1991-06-27 | 1991-06-27 | 原子間力顕微鏡 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH055617A JPH055617A (ja) | 1993-01-14 |
| JP2694783B2 true JP2694783B2 (ja) | 1997-12-24 |
Family
ID=15597139
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3155030A Expired - Lifetime JP2694783B2 (ja) | 1991-06-27 | 1991-06-27 | 原子間力顕微鏡 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2694783B2 (ja) |
-
1991
- 1991-06-27 JP JP3155030A patent/JP2694783B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH055617A (ja) | 1993-01-14 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 19970812 |