JP3000500B2 - 原子間力顕微鏡 - Google Patents

原子間力顕微鏡

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は物質間に働く原子間力を
微小なばね要素で変位に変換し、その変位をレーザー光
をばね要素に照射しその反射光の位置ずれとして光検出
素子で検出して制御信号とする方式の原子間力顕微鏡に
関する。
【０００２】
【従来の技術】原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒ
ｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）はＳＴＭの発明者である
Ｇ．Ｂｉｎｎｉｇらによって発明（Ｐｈｙｓｉｃａｌ
Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ ｖｏｌ．５６ ｐ９３
０ １９８６）されて以来、新規な絶縁性物質の表面形
状観察手段として期待され、研究が進められている。そ
の原理は先端を充分に鋭くした検出チップと試料間に働
く原子間力を、前記検出チップが取り付けられているば
ね要素の変位として測定し、前記ばね要素の変位量を一
定に保ちながら前記試料表面を走査し、前記ばね要素の
変位量を一定に保つための制御信号を形状情報として、
前記試料表面の形状を測定するものである。
【０００３】ばね要素の変位検出手段としては、レーザ
ー光をばね要素に照射しその反射光の位置ずれを光検出
素子で検出して変位信号とする、光てこ方式と呼ばれる
例（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓ
ｉｃｓ ６５（１）、１ ｐ１６４ Ｊａｎｕａｒｙ
１９８９）が報告されている。
【０００４】図３に原子間力顕微鏡の動作原理を示す。
図４（ａ）は、原子間距離に対する原子間力の関係を示
す概念図である。二つの原子を数ナノメーターないし数
オングストロームの距離に近付けていくと、まず原子間
距離のマイナス７乗に比例したいわゆるファンデルワー
ルス力が互いに引き付け合う力として発生する。更に近
付けるといわゆる交換斥力が急激に立ち上がる。
【０００５】図４（ｂ）は、ばね要素３の変位している
様子を示す概念図である。従来の原子間力顕微鏡は図中
の変位量ｘが一定となるように試料１をＺ方向に調整し
つつ、試料面内方向の走査を行い、試料表面の形状デー
タを得る。いわゆる触針式粗さ計との違いとしては、測
定中のセンサの圧力が粗さ計の場合数ミリグラムである
のに対し、原子間力顕微鏡の場合マイクログラム以下と
小さいこと、原子間力顕微鏡は粗さ計よりも観察範囲は
狭いが分解能が非常に高いことなどが挙げられる。
【０００６】図３は、従来の光てこ方式の原子間力顕微
鏡の構成を示す概略図である。ばね要素３には試料１と
の相互作用を微小な範囲に限定するための検出チップ２
が取り付けられ、微小な力検出器を構成している。試料
１は、微動素子４に支持され、更に微動機構４は粗動素
子５に支持されている。検出チップ２が試料１の表面の
原子間力測定領域に位置するように、３次元的に駆動さ
れる。ばね要素３は、フレーム３０に取り付けられてい
る。また、フレーム３０は粗動機構５を固定している。
そこで、試料１は、微動素子４により、検出チップ２の
先端部に対して３次元的に駆動される。つまり、微動素
子４により、試料１は検出チップ２の先端部と試料１の
表面の距離を調整しながら、試料１平面上を高分解能で
走査される。ナノメーター以下の微小な移動量が要求さ
れるため、微動素子として圧電素子が使われる例が多
い。微動素子４は試料１とばね要素３の粗い位置決めを
行うための粗動機構５に固定される。
【０００７】ばね要素３の裏面側にはばね要素３の変位
量を検出するための変位検出系が設けられている。まず
半導体レーザー６から出射された光はレンズａ８により
集光され、光軸調整手段２２によりばね要素３の裏面先
端部に当たるよう調整される。ばね要素３は反射率を上
げるためのコーティングが施されている。反射された光
はレンズｂ９によって集光され、分割型の光検出素子１
１上に集光される。光検出素子として例えば２分割型の
フォトディテクター１１ａを使用した場合においては、
あらかじめ分割された素子に均等に光が入射する様に調
整しておき、２分割素子の差分信号を取る。ばね要素３
が試料１に押されて傾くとき、フォトディテクター１１
ａの受光面上の光スポットもばね要素３の傾きに比例し
て移動し、分割素子の出力は一方は増加しもう一つは減
小する。結果としてその差分出力はばね要素３の傾き、
即ち変位に比例したものとなる。この変位信号はサーボ
系に取り込まれ微動素子４及び粗動機構５への制御信号
に変換され、試料１とばね要素３の距離が一定となるよ
う制御される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来の光
てこ方式の原子間力顕微鏡では試料を微動素子４により
駆動する方式を取っているため、大きな試料を観察しよ
うとすると微動素子の共振周波数の低下を招き、観察が
困難であった。また微動素子自体小さいもの、例えば円
筒型の圧電素子を使うときは直径が最大でも３０ミリ程
度で物理的にも試料取り付けが困難であり、例えば半導
体のウェハーや光ディスク基板を観察するためには試料
を裁断する必要があった。そのため原子間力顕微鏡の持
つ非破壊観察という利点を生かすことが出来ないという
欠点があった。
【０００９】また試料を微動素子により駆動する方式で
あるため、微動素子の負荷質量が測定の度に変動するこ
とになり、制御特性や測定スピードが一定しないという
問題点があった。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
め本発明では、ばね要素及び変位検出手段を微動素子に
取り付ける構成とした。微動素子先端部に半導体レーザ
ー、レンズ、ばね要素、ミラー、光検出素子よりなる光
てこ方式の変位検出系を構成し、外部に変位検出系の光
軸調整手段を設けることとした。
【００１１】
【作用】上記の構成とすることにより、試料を微動素子
から切り放すことが可能となる。試料を粗動機構上に配
置する場合、粗動機構は一般にパルスステージなどが用
いられ、微動素子として通常用いられる圧電素子よりも
搭載できる重量が数桁大きいため、試料のサイズや重量
に対する制約は大きく軽減される。粗動・微動機構を一
体の構成とした場合においてもその効果は同様である。
【００１２】更に試料周辺の構成の自由度が向上するた
め、例えば搬送機構と組み合わせて試料の自動交換を行
う等、設計自由度が向上する。また微動素子の負荷は常
に一定となり、制御系の安定化や装置全体の特性に対す
る保証が得られることになるのである。
【００１３】
【実施例】以下に本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１に本発明に係る原子間力顕微鏡の機構部の１
実施例を示す。電装系の構成は従来の原子間力顕微鏡と
同様である。半導体レーザー６、ばね要素３、光検出素
子１１などがフレームＦに設けられて構成された変位検
出系Ａが微動素子先端に取り付けられ、試料１は粗動機
構５に固定される。半導体レーザー６はレーザー素子が
直径６ミリ以下のパッケージにマウントされており１グ
ラム以下と軽量であり、微動素子４の動作上問題となる
重さではない。更にパッケージの無いレーザー素子その
ものの状態でマウントすることも可能であり、より軽量
な変位検出系Ａを得ることができる。
【００１４】ばね要素３は鉄系の材質より成るばねホル
ダ１２に接着され、磁石７により吸引されレンズａ８か
らの出射光軸に対し傾いて固定される。半導体レーザー
６からの光はレンズａ８によりばね要素３先端部近傍に
集光され、光軸調整手段２２によりばね要素３先端部に
光軸が一致するようばねホルダ１２の位置が調節され
る。
【００１５】ばね要素３先端裏面からの反射光はミラー
１０を介してディテクターホルダ１３に固定された２分
割のフォトディテクター１１ａに入射される。ディテク
ターホルダ１３はコイルばね２４を介して調整ネジ２３
に押圧されており、入射光に対するフォトディテクター
１１ａの位置を調整ネジ２３により調節することができ
る。このように構成された変位検出系は機能的には従来
の光てこ方式の原子間力顕微鏡と全く同じである。ただ
し微動素子に対する負荷は従来の方式よりも若干大きく
なり観察スピードの多少の低下が発生するが、実用上問
題になるレベルではない。
【００１６】微動素子部に隣接して金属顕微鏡１５が設
けられている。粗動機構５はｘｙｚ３軸方向のパルスス
テージで構成され、試料１を金属顕微鏡１５と原子間力
顕微鏡との間で搬送する。このような構成により金属顕
微鏡で予め大まかな観察をした後より詳細に観察したい
部分を原子間力顕微鏡で見るということが可能となる。
【００１７】図２に本発明に係る原子間力顕微鏡の機構
部の別の実施例を示す。ばね要素３、光検出素子１１な
どにより構成された変位検出系が微動素子先端に設けら
れ、更に微動素子４は粗動機構５に取り付けられてい
る。試料１は搬送機構１６により試料ストッカー１７か
ら自動供給され、連続測定が行われる。
【００１８】
【発明の効果】上記のように本発明によれば、ばね要素
と変位検出系を微動素子側に配置することにより、試料
の大きさに対する制限を緩和し、半導体のウェハーや光
ディスク基板等をそのまま観察できるようになり、原子
間力顕微鏡の持つ非破壊観察という利点を生かすことが
でき、試料準備が容易となる。
【００１９】また金属顕微鏡や搬送機構と組み合わせる
ことが可能となり、機能の複合化された使い勝手の良い
原子間力顕微鏡が得られる。更には微動素子に加えられ
る負荷が常に一定となるため、制御系に対する悪影響を
軽減することができるのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる原子間力顕微鏡の構成を示すブ
ロック図である。
【図２】本発明の別の実施例を示すブロック図である。
【図３】従来の光てこ方式の原子間力顕微鏡の構成を示
すブロック図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）は原子間力顕微鏡の動作原理を
示す概念図である。
【符号の説明】
１ 試料 ２ 検出チップ ３ ばね要素 ４ 微動素子 ５ 粗動機構 ６ 半導体レーザー ７ 磁石 ８ レンズａ ９ レンズｂ １０ ミラー １１ 光検出素子 １１ａ フォトディテクター １２ ばねホルダ １３ ディテクタホルダ ２２ 光軸調整手段 ２３ 調整ネジ ２４ コイルばね

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 試料表面から先端を尖らした検出チップ
    が受ける原子間力を変位に変換するばね要素と、レーザ
    ー光を発生し前記ばね要素に照射する半導体レーザーと
    前記ばね要素で反射したレーザー光の位置ずれを検出す
    る光検出器とからなり前記ばね要素の変位を検出するた
    めの変位検出手段と、前記試料と前記ばね要素を３次元
    的に相対運動させ、前記検出チップの先端を前記試料表
    面の原子間力の働く領域に近づける粗動機構と、前記変
    位検出手段を取り付けて前記ばね要素に取り付けられた
    検出チップ先端を前記試料表面の原子間力の働く領域内
    で三次元的に運動させるための微動機構と、前記試料と
    前記検出チップ先端の間を前記微動機構を介して一定の
    距離に保つ制御手段とよりなる原子間力顕微鏡におい
    て、 前記ばね要素は、前記変位検出手段に対して、磁石によ
    り水平的に移動可能に支持され、且つばね要素位置調整
    装置により水平方向に移動調整可能なことを特徴とする
    原子間力顕微鏡。
  2. 【請求項２】 試料表面から先端を尖らした検出チップ
    が受ける原子間力を変位に変換するばね要素と、レーザ
    ー光を発生し前記ばね要素に照射する半導体レーザーと
    前記ばね要素で反射したレーザー光の位置ずれを検出す
    る光検出器とからなり前記ばね要素の変位を検出するた
    めの変位検出手段と、前記試料と前記ばね要素を３次元
    的に相対運動させ、前記検出チップの先端を前記試料表
    面の原子間力の働く領域に近づける粗動機構と、前記ば
    ね要素に取り付けられた検出チップ先端を前記試料表面
    の原子間力の働く領域内で三次元的に運動させるための
    微動機構と、前記試料と前記検出チップ先端の間を前記
    微動機構を介して一定の距離に保つ制御手段とよりなる
    原子間力顕微鏡において、前記ばね要素及び前記変位検
    出手段が前記微動機構に取り付けられており、前記ばね
    要素は、前記レーザー光に対して、外部に設けられた光
    軸調整手段により光軸調整可能になっていることを特徴
    とする原子間力顕微鏡。
  3. 【請求項３】 請求項１又は請求項２記載の原子間力顕
    微鏡において、半導体レーザーはパッケージを有さない
    半導体チップ状態であることを特徴とする原子間力顕微
    鏡。
  4. 【請求項４】 請求項１又は請求項２記載の原子間力顕
    微鏡において、前記粗動機構は試料を支持し、前記試料
    を三次元的に粗動させることを特徴とする原子間力顕微
    鏡。
  5. 【請求項５】 請求項１又は請求項２記載の原子間力顕
    微鏡において、前記粗動機構は前記微動機構を支持し、
    前記微動機構を三次元的に粗動させることを特徴とする
    原子間力顕微鏡。
  6. 【請求項６】 請求項１又は請求項２記載の原子間力顕
    微鏡において、前記光検出器は、直線的に移動可能に取
    り付けられておりかつ、光検出器位置調節装置により直
    線的に移動調整可能なことを特徴とする原子間力顕微
    鏡。
  7. 【請求項７】 試料表面から先端を尖らした検出チップ
    が受ける原子間力を変位に変換するばね要素と、レーザ
    ー光を発生し前記ばね要素に照射する半導体レーザーと
    前記ばね要素で反射したレーザー光の位置ずれを検出す
    る光検出器とからなり前記ばね要素の変位を検出するた
    めの変位検出手段と、前記試料と前記ばね要素を３次元
    的に相対運動させ、前記検出チップの先端を前記試料表
    面の原子間力の働く領域に近づける粗動機構と、前記ば
    ね要素に取り付けられた検出チップ先端を前記試料表面
    の原子間力の働く領域内で三次元的に運動させるための
    微動機構と、前記試料と前記検出チップ先端の間を前記
    微動機構を介して一定の距離に保つ制御手段とよりなる
    原子間力顕微鏡において、前記ばね要素、前記変位検出
    手段を同一のフレームに取り付け該フレームを前記微動
    機構に取り付け、前記ばね要素は、前記レーザー光に対
    して、前記フレーム外部より光軸調整可能になっている
    ことを特徴とする原子間力顕微鏡。
  8. 【請求項８】 前記ばね要素はばね要素保持部材を介し
    て磁石により吸引されて前記フレームに固定されている
    ことを特徴とする請求項７記載の原子間力顕微鏡。
  9. 【請求項９】 前記光検出器はディタクタ部を上にして
    ホルダ上に載置され、前記ばね要素で反射したレーザー
    光をミラーを介して検出し、前記ホルダは水平方向に移
    動可能に取り付けられており、かつ光検出器位置調節装
    置により水平方向に移動調整可能なことを特徴とする請
    求項７または８に記載の原子間力顕微鏡。
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