JP2869508B2 - 磁場制御による走査プローブ顕微鏡 - Google Patents

磁場制御による走査プローブ顕微鏡

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JP2869508B2 JP34490395A JP34490395A JP2869508B2 JP 2869508 B2 JP2869508 B2 JP 2869508B2 JP 34490395 A JP34490395 A JP 34490395A JP 34490395 A JP34490395 A JP 34490395A JP 2869508 B2 JP2869508 B2 JP 2869508B2
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啓文 山田
伸一 山本
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、原子間力顕微鏡に
おいて試料−探針先端間の力を任意の値に制御する走査
プロ−ブ顕微鏡に関するものである。このような技術
は、材料組織観察、マイクロ素子その他の分野で利用し
得る。
【0002】
【従来の技術】近年、固体表面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)が開
発されている。以下、図1を参照しながらAFM及びA
FMを使った観察方法を説明する。AFMでは、微小な
力を検出するために、探針を有する長さ100μm程度
のカンチレバーが用いられる。試料6を探針8に近づけ
ると、探針8と試料6との間に働く原子間力(ファンデ
アワールス力)によってカンチレバー2が試料6に引き
寄せられる方向に撓みが生じる。さらに試料6を探針8
に近づけるとカンチレバー2が急激に大きく撓み、ジャ
ンプして探針8と試料6が接触する。その後、さらに探
針8と試料6が強く接触すると先程と逆方向にカンチレ
バーが撓む。この撓み量を制御信号発生回路27にフィ
ードバックして撓み量を一定に保つように制御信号発生
回路27を通して圧電体駆動装置15によりZ方向の圧
電体13を制御しながら試料表面に沿って走査する。走
査は圧電体駆動装置15とX、Y方向の圧電体11、1
2とによって行われる。前記フィードバックにおける制
御量が試料表面の凹凸に相当し、この制御量をコンピュ
ータ28等によって画像化すれば、AFM像を得ること
ができる。カンチレバーの撓み量は微小変位測定機構4
によって測定される。微小変位測定機構4には、光て
こ、レーザ干渉、トンネル電流等の方式が用いられる。
【0003】AFMの分解能は探針8の先端曲率半径と
先端角とに依存し、これらが小さいほど分解能は向上す
る。しかしこのAFMでは、圧電体駆動装置15により
Z方向の圧電体13を制御しながら探針−試料間に力を
加えるため接触してはじめて力が発生し、非接触での動
作は不可能である。
【0004】このために開発された nonconta
ct made AFMは、真空中では特定の材料で原
子像が見えているが、大気中は探針−試料間のギャップ
が10nm以上有り、この距離が2次元分解能を下げて
いる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】試料を探針に近づける
と、探針と試料との間に働く原子間力によってカンチレ
バーが試料に引き寄せられる方向に撓み、さらに試料を
探針に近づけるとカンチレバーが急激に大きく撓み、ジ
ャンプして探針と試料が接触する。このため探針と試料
のこの領域での非接触動作は不可能であったことは前述
の通りである。
【0006】この分野では、英国オックスフォード大学
のJ.B.Pethica助教授他が磁場制御機構であ
るコイルをカンチレバー上部に設置しているが、これで
は、装置が大型化する傾向となる。また、現在市販のA
FM装置に組み込むことも難しい。本発明は、前記従来
の課題を解決するため、試料と探針が接触しないように
カンチレバーに具備した磁性体を中空である位置制御機
構内に設置した磁場制御機構で制御することにより、市
販の装置を大掛かりに設計変更する必要なしに、探針−
試料間をコントロールし非接触の状態を保つことができ
る走査プローブ顕微鏡、あるいは試料に対して該カンチ
レバーと相反する位置に磁場制御機構を設置すること
で、光てこ(市販の装置によく用いられている光学計測
方式)を遮ることなく探針−試料間をコントロールし非
接触の状態を保つことのできる走査プローブ顕微鏡を提
供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明に係わる走査プローブ顕微鏡は、磁性部材を
有する探針付きカンチレバーと、試料が設置され前記試
料の位置を制御する位置制御機構と、前記カンチレバー
に照射されたレーザー光の反射光を検出して前記カンチ
レバーの撓み量を計測する微小変位計測機構と、金属コ
ア付きコイルを有し前記磁性部材と前記試料との間の力
を制御する磁場制御装置を有し、前記磁場制御装置が前
記位置制御機構内の中空部に設置されていることを特徴
としている。
【0008】
【発明の実施の形態】以下、この発明の詳細を一実施の
形態を示す図面について説明する。
【0009】図1及び2は、本発明に係わる磁場制御に
よる走査型プローブ顕微鏡の一実施の形態を示す概略図
である。図1及び図2において、1は走査型プローブ顕
微鏡である。走査型プローブ顕微鏡1はカンチレバー2
と、試料6の位置を制御するための位置制御機構3と、
前記カンチレバー2の撓み量を計測するための微小変位
計測機構4と、磁場制御装置5を備えている。カンチレ
バー2には磁性部材7が取り付けられている。磁場制御
装置5は磁性部材7と試料6との間の力を制御するため
のものである。磁性部材7としては磁性体や平面インダ
クタで構成する。カンチレバー2の先端下面には探針8
が取り付けられている。
【0010】試料6は、X、Y、Zの3方向の圧電体1
1、12、13で形成された位置制御機構3上に設置さ
れる。位置制御機構3としては円筒型の位置制御機構を
使用し、該円筒型の位置制御機構3の中空部に磁場制御
装置5を構成する鉄心コア付きコイル14を試料6と接
触しない範囲で設置する。試料6の水平面内の走査は、
圧電体駆動装置15によって発生した電圧をX、Y方向
の圧電体11、12に印加することにより行う。微小変
位計測機構4は一例として出力5mWの半導体レーザー
16及び2分割フォトダイオード17を有する。半導体
レーザー16はカンチレバー2にレーザー光を照射し、
2分割フォトダイオード17はその反射光を検出するた
めのものであり光てこを構成している。そして、この光
てこによってカンチレバー2の変位(撓み)を測定し、
カンチレバー2のバネ定数から換算される力を検出する
ことにより、試料6と探針8との間に働く力を検出する
ことができる。
【0011】このように構成された走査型プローブ顕微
鏡において、試料の観察は次のようになされる。試料6
を探針8に近づけると、探針8と試料6との間に働く原
子間力によってカンチレバー2が試料6に引き寄せられ
る方向に撓みが生じる。さらに試料を探針に近づけると
カンチレバー5が急激に大きく撓み、ジャンプして探針
8と試料6が接触しようとする。この瞬間に位置制御機
構3内の磁場制御装置5より磁場を発生し、カンチレバ
ー2上の磁性部材7である磁性体もしくは平面インダク
タ22(図5参照)との間に反発力を発生し、この反発
力によってカンチレバー2を制御し探針8と試料6とを
引き離すことができ非接触の動作を行うことができる。
その後、さらに試料に探針を近づけようとすると先程と
逆方向にカンチレバー2が撓む。この撓み量を一定に保
つように、撓み量を制御信号発生回路27にフィードバ
ックしながら制御信号発生回路27を通して圧電体駆動
装置15によりZ方向の圧電体13を制御しながら試料
6表面に沿って走査する。走査は圧電体駆動装置15と
X、Y方向の圧電体11、12とによって行われる。前
記フィ−ドバックにおける制御量が試料表面の凹凸に相
当し、この制御量をコンピュータ28等によって画像化
すれば、AFM像を得ることができる。カンチレバー2
の撓み量は微小変位計測機構4によって測定される。微
小変位測定機構4には、光てこ、レーザ干渉、トンネル
電流等の方式が用いられる。符号31は半導体レーザー
16から出射されるレーザー光をカンチレバー2の上に
集光するためのレンズである。試料6とカンチレバー2
との距離は、制御信号発生回路27と圧電体駆動装置1
5とを用い、制御電圧をZ方向の圧電体13に印加する
ことによって行う。このように試料6の各点で磁場制御
装置5より発生する磁場の大きさをプロットすると各点
での試料6と探針8との原子間力を観測することができ
る。また同時に探針8と試料6間に1Vの電圧差を保
ち、試料の各点でのトンネル電流像をマッピングするこ
ともできる。
【0012】また、図3に示すように試料6−探針8先
端間の力を任意の値に制御するための磁場制御装置5が
間隙18をもつ閉ループで作られたコイル21であり、
該間隙18内にピエゾ抵抗カンチレバーと試料を設置し
た場合も同様の結果が得られる。この場合はより強力な
磁場を発生することができるためカンチレバーのバネ定
数が10N/m以上のものでも500nm探針を動かす
ことができる。
【0013】さらにまた、図4及び図5に示すように磁
性部材7として平面インダク22を使用してもよい。こ
の場合は平面インダク22を有する探針付きカンチレバ
ー2の撓みを制御し、試料6−探針8先端間の距離を任
意の値に制御するための磁場制御装置5を試料6の下部
にある円筒型の位置制御機構3内に設置し、磁場制御装
置5より発生する直流磁場を1ガウスに設定し試料6と
探針8を近づける。試料6をカンチレバー2に徐々に近
づけていくと、試料6と探針8が10nmの距離でカン
チレバー2が急激に大きく撓み、探針8と試料6が接触
するため、カンチレバー先端に有する平面インダクタ2
2より20ガウスの直流磁場を発生してカンチレバー2
先端を制御し探針8を試料6と1nm引き離すことがで
きる。平面インダクタ22の構成図を図5に示す。平面
インダクタ22は磁性薄膜23、絶縁フィルム24、平
面コイル25を重ねて有し、中央部にスルーホール26
を形成している。
【0014】前記の通りカレンチレバー2に取り付ける
磁性部材7としては磁性体の代わりに磁場を発生させる
平面インダクタでも良く、該磁場制御装置5がコイルで
あり、該磁場制御装置5が試料及び試料台と直接接触し
ない方が望ましい。また、該磁場制御装置が間隙をもつ
環状の磁気コアを有し、該間隙内にカンチレバーと試料
を設置することにより強力な磁場を発生させることがで
きる。この場合、カンチレバーが圧電体、圧電体薄膜、
キャパシタンスセンサーあるいはピエゾ抵抗のいずれか
で構成されていると装置をより小さくすることができ
る。
【0015】
【発明の効果】本発明に係わる磁場制御による走査型プ
ローブ顕微鏡によれば、試料表面の1点で、試料と探針
がある距離でカンチレバーが急激に大きく撓み、探針と
試料が接触する瞬間に位置制御機構内の磁場制御装置等
より磁場を発生し、カンチレバーに有する磁性体、もし
くは平面インダクタの磁場を利用してカンチレバーを制
御し試料と探針との間の作用する力を任意に制御するこ
とができるため、探針を試料と引き離すことができ非接
触の動作を行うことができかつ高分解能の観察をするこ
とができ、またも装置も小型にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係わる磁場制御による走査プローブ顕
微鏡の斜視構成説明図
【図2】本発明に係わる磁場制御による走査プローブ顕
微鏡部分断面構成説明図
【図3】本発明の他の実施の態様の磁場制御による走査
プローブ顕微鏡の構成説明図
【図4】カンチレバ−の拡大斜視説明図
【図5】平面インダクタの拡大斜視構成説明図
【符号の説明】
1 磁場制御による走査プローブ顕微鏡 2 カンチレバー 3 位置制御機構 4 微小変位計測機構 5 磁場制御装置 6 試料 7 磁性部材 8 探針 11 X方向の圧電体 12 Y方向の圧電体 13 Z方向の圧電体 15 圧電体駆動装置 16 半導体レーザー 17 2分割フォトダイオード 19 コンピュータ 23 磁性箔 24 絶縁フィルム 25 平面コイル 26 スルーホール 27 制御信号発生回路 28 コンピュータ 31 レンズ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 伸一 茨城県つくば市東1丁目1番4 工業技 術院 産業技術融合領域研究所内 (72)発明者 スージー ジャービス 茨城県つくば市東1丁目1番4 工業技 術院 産業技術融合領域研究所内 審査官 門田 宏 (56)参考文献 特開 平6−273155(JP,A) 特開 平6−258017(JP,A) 1995年(平成7年)春季 第42回応用 物理学関係連合講演会予稿集第2分冊, (1995.3.28),(社)応用物理学 会,p.481 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01N 37/00 G01B 21/30 JICSTファイル(JOIS)

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 磁性部材を有する探針付きカンチレバー
    と、試料が設置され前記試料の位置を制御する位置制御
    機構と、前記カンチレバーに照射されたレーザー光の反
    射光を検出して前記カンチレバーの撓み量を計測する微
    小変位計測機構と、金属コア付きコイルを有し前記磁性
    部材と前記試料との間の力を制御する磁場制御装置を有
    し、前記磁場制御装置が前記位置制御機構内の中空部に
    設置されていることを特徴とする磁場制御による走査プ
    ローブ顕微鏡。
  2. 【請求項2】 前記磁性部材は磁性体であることを特徴
    とする請求項1記載の磁場制御による走査プローブ顕微
    鏡。
  3. 【請求項3】 前記磁性部材は平面インダクタであるこ
    とを特徴とする請求項1記載の磁場制御による走査プロ
    ーブ顕微鏡。
  4. 【請求項4】 前記カンチレバーが圧電体、圧電性薄
    膜、キャパシタンスセンサーあるいはピエゾ抵抗を含む
    ことを特徴とする請求項1記載の磁場制御による走査プ
    ローブ顕微鏡。
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JP3989704B2 (ja) * 2001-10-03 2007-10-10 エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社 走査型プローブ顕微鏡
KR101195729B1 (ko) * 2003-07-15 2012-10-29 더 유니버시티 오브 브리스톨 원자력 현미경용 탐침 및 그 사용 방법
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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1995年(平成7年)春季 第42回応用物理学関係連合講演会予稿集第2分冊,(1995.3.28),(社)応用物理学会,p.481

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