JP3008583B2 - 原子間力顕微鏡およびその制御方法 - Google Patents

原子間力顕微鏡およびその制御方法

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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、ノイズレベルが低く
0.1nm以下の極めて小さな凹凸や深い溝形状等を安定
に精度良く測定するための原子間力顕微鏡およびその制
御方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、固体表面を原子オーダで観察でき
る装置として原子間力顕微鏡(以後AFMと呼ぶ)が開
発されている。AFMおよびその制御方法を図4により
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5を探針12に近づけると、探針と試料との間
に働く原子間力によりカンチレバー6にたわみが生じ
る。このたわみ量を一定に保つように制御信号発生回路
10を通して、圧電体駆動装置11によりZ方向圧電体
3を制御しながら試料表面を走査する。走査は圧電体駆
動装置11とX,Y方向の圧電体1、2により行われ
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、したがって、この制御量をコンピュータ1
3等により画像化することでAFM像が得られる。この
カンチレバーのたわみ量は変位測定部19により測定さ
れる。変位測定部19には、光てこ、レーザー干渉、ト
ンネル電流などの方式が用いられている。AFMの分解
能は探針の先端曲率半径に依存し、曲率半径が小さいほ
ど分解能は上がる。現在のところ200から300Åの
曲率の探針が作製され、このカンチレバーを用いてMI
CA等の原子像が観察されている。一方、AFMを用い
てグレーティング等の深い溝形状を有する試料の測定も
行われている。このような測定には、探針の先端曲率が
小さいのと同時に、溝部の底まで届くような、細長い形
状の探針を用いる必要がある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】試料表面を探針で走査
した場合、試料表面の凹凸によるカンチレバーの変位以
外に、試料表面の摩擦係数の違いなどによるカンチレバ
ーの変位やカンチレバーのねじれによる変位などが発生
し、これらがノイズとなり極微細な表面形状が測定でき
ないことがある。また、溝部の壁面が垂直に近いような
形状の試料では、探針の側面が走査中に溝部の壁面に衝
突する。この状態ではカンチレバーのたわみはほとんど
生じることがなく、試料と探針間の距離はそのままの状
態で走査が続けられる。その結果、正確なAFM像が得
られないばかりでなく、探針やカンチレバーが破壊され
ることもある。
【0004】本発明は、このような従来の原子間力顕微
鏡の制御方法の課題を考慮し、極めて小さな凹凸や垂直
に近い側面形状を有するような試料でも、精度良く観察
することが可能な原子間力顕微鏡およびその制御方法を
提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】カンチレバー、カンチレ
バーの変位検出装置、試料あるいはカンチレバーの3次
元微動装置、および画像化装置を有する原子間力顕微鏡
において、試料表面の1点でカンチレバーと試料とを接
近させ、カンチレバーの変位が決められた値になった
時、カンチレバーと試料とを引き離し、その後試料表面
の別の点で同じ操作を繰り返すことを特徴とする原子間
力顕微鏡の制御方法、または柱状あるいは針状の突起物
が形成されたカンチレバー、カンチレバーの変位検出装
置、試料あるいはカンチレバーの3次元微動装置、およ
び画像化装置を有し、試料表面の1点でカンチレバーと
試料とを接近させ、カンチレバーの変位が決められた値
になった時、カンチレバーと試料とを引き離し、その後
試料表面の別の点で同じ操作を繰り返すことにより、試
料表面各点における凹凸状態を測定し、試料表面の形状
を画像化することを特徴とする原子間力顕微鏡。
【0006】
【作用】カンチレバーが試料表面から一定の力を受けた
状態で、試料表面を探針で走査するのではなく、あたか
も、杖を用いて道路の表面形状を調べるように、試料表
面の各点における試料(あるいは探針)の移動距離と、
試料と探針間に働く力との関係を測定し、表面形状を画
像化することにより、試料表面の摩擦係数の違いなどに
よるカンチレバーの変位やカンチレバーのねじれによる
変位などのノイズ成分を除去することができる。また細
長い形状の探針を用いて、溝部等の壁面が垂直に近いよ
うな形状の試料を観察する際も、探針の側面が走査中に
壁面に衝突し、探針やカンチレバーが破壊されることな
く表面形状を観察することが可能となる。
【0007】
【実施例】
(実施例1)以下、具体例について詳細に述べる。図1
は、本発明の原子間力顕微鏡およびその制御方法の第1
実施例を示す概略図である。試料は、X,Y,Zの3方
向の圧電体1、2、3で形成されたトライポッド型の微
動機構上に設置される。試料5の水平面内の走査は、圧
電体駆動装置11により発生した電圧をX、およびY方
向の圧電体に印加することにより行った。試料と探針間
に働く力、すなわちカンチレバー6の変位は出力5mW
の半導体レーザー7から出射されたレーザー光をレンズ
8によりカンチレバー上に集光し、その反射光を2分割
フォトダイオード9により検出する光てこにより検出し
た。試料とカンチレバーとの距離の制御は制御信号発生
回路10と圧電体駆動装置11により、制御電圧をZ方
向の圧電体3に印加することにより行った。以下にAuの
スパッタ膜を観察したときの具体的な制御方法について
説明する。
【0008】試料台4の上に、Si基板上にAu薄膜が形成
された試料5を試料の中央部分が探針12の下に位置す
るように設置した。圧電体駆動装置11によりZ方向の
圧電体3に徐々に電圧を印可し、試料5を探針12に近
ずけながら、同時に2分割フォトダイオード9によりカ
ンチレバー6が試料5から受ける力を測定した。カンチ
レバー6が決められた大きさの斥力を受けたとき試料の
探針への接近を停止し、その時のZ方向の圧電体3に印
加されている電圧をコンピュータ13に記憶させた。こ
の電圧値が基板表面の各点における凹凸情報となる。こ
の試料の測定の際は、斥力の大きさを1×10ー8Nとし
た。つぎにカンチレバー6が試料5から力を受けなくな
る距離まで試料5を探針12から離した。次に圧電体駆
動装置11をもちいて、X方向の圧電体1により試料5
を2nm左に移動させた。その後、Z方向の圧電体3に徐
々に電圧を印可し、カンチレバー6が1×10ー8Nの斥
力を受けるまで、試料5を探針12に近ずけ、その時の
Z方向の圧電体3に印加されている電圧をコンピュータ
13に記憶させた。次にX方向の圧電体1により試料5
をさらに左へ2nm移動させた。この様な測定を256回
X方向へ繰り返し1ライン分の走査を終了した。次にY
方向の圧電体2により試料5を2nm下に移動させ、同様
の操作によりさらに1ラインの走査を行った。256回
の走査の後、256×256個の試料表面の凹凸情報が
得られた。
【0009】AFMを本発明のように制御することによ
り、従来のようにカンチレバーが一定の斥力を受けたま
ま試料表面を連続的に走査した場合に比べてノイズレベ
ルが低く、高分解能な画像が得られた。この原因の1つ
として試料表面をX方向に走査したときに生ずる、カン
チレバーのねじれ成分によるノイズが皆無になったこと
が考えられる。
【0010】前記実施例では凹凸情報の測定を各点につ
き1回行ったが、各点における測定を複数回繰り返し、
その平均値を用いて画像化することにより、よりノイズ
レベルの低い画像が得られた。またカンチレバーの変位
測定手段として前記実施例では光てこ法を用いたが、レ
ーザー干渉法やトンネル電流法を用いても同様の結果が
得られた。
【0011】(実施例2)次に本発明の第2実施例にお
ける原子間力顕微鏡のカンチレバー部分の概略図を図2
に示す。フォトリソグラフィにより作成した長さ100
μm、厚さ1.5μmのV型のSiO2薄膜カンチレバー14
の先端部分に、1つの針状部分の長さが2〜5μmの酸
化亜鉛ウィスカ15を取り付けた。このウィスカはCV
D法により作成したものであり、正四面体の体心から4
頂点に向かって延びたテトラポッド型の3次元構造の結
晶であるため、図2に示すように接着剤を用いて極めて
容易にカンチレバーに取り付けることができた。このカ
ンチレバーを用いて、試料表面をカンチレバーが一定の
斥力を受けたまま連続的に走査する従来の制御方法で、
深さ1μm、幅1μmの溝形状18を測定したところ安定
に測定ができず、時としてウィスカが破損することがあ
った。またSiのエッチピットを鋳型としてSi 3N4薄膜で
作成したカンチレバーを用いて、従来の制御方法で測定
した画像と本発明のウィスカを具備したカンチレバーを
用いて、本発明の制御方法により測定した画像とを比較
したところ、本発明の装置の方が溝形状を正確に観察で
きることが判明した。この原因は図3に示すように、従
来の探針は頂角が70度のピラミッド形状となるため、
探針16が溝の底まで届かず実際の試料形状とは異なる
破線で示したような像が得られた(図3(a))のに対
し、ウィスカの探針17は溝の底まで到達し、破線で示
したような表面形状に忠実な像が得られた(図3
(b))ものと考えられる。
【0012】本実施例では酸化亜鉛ウィスカを用いた場
合について説明したが、酸化錫、炭化珪素、アルミナ、
金属あるいは有機物の針状結晶を用いても、本発明の制
御方法を用いることにより、垂直な壁面を有する溝部に
おいても、表面形状に忠実なA像が安定に得られた。
【0013】
【発明の効果】以上述べたところから明らかなように、
本発明によれば、ノイズレベルが低く0.1nm以下の極
めて小さな凹凸等を安定に高精度に測定でき、さらにグ
レーティング等の深い溝形状や、垂直に近い壁面を有す
る試料を測定する際、カンチレバーや探針を破壊するこ
となく、精度よく測定できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかる第1実施例の原子間力顕微鏡お
よびその制御方法を説明するための概略図を示す。
【図2】本発明にかかる第2実施例における原子間力顕
微鏡のカンチレバー部分の概略図を示す。
【図3】従来のカンチレバー、および本発明のカンチレ
バーにより得られた溝状形状のAFM像の説明図を示
す。
【図4】従来の原子間力顕微鏡およびその制御方法を説
明するための概略図を示す。
【符号の説明】
1 X方向圧電体 2 Y方向圧電体 3 Z方向圧電体 4 試料台 5 試料 6 カンチレバー 7 半導体レーザー 8 集光レンズ 9 2分割フォトダイオード 10 制御信号発生回路 11 圧電体駆動装置 12 探針 13 制御コンピュータ 14 カンチレバー 15 酸化亜鉛ウィスカ 16、17 探針 18 変位測定部
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01B 21/00 - 21/32 G01B 7/34 H01J 37/28

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 カンチレバー、カンチレバーの変位検出
    装置、試料あるいはカンチレバーの3次元微動装置、お
    よび画像化装置を有する原子間力顕微鏡において、試料
    表面の1点でカンチレバーと試料とを接近させ、探針を
    試料表面に接触させたときの斥力によるカンチレバーの
    変位が決められた値になった時、カンチレバーと試料と
    を引き離し、その後試料表面の別の点で同じ操作を繰り
    返すことを特徴とする原子間力顕微鏡の制御方法。
  2. 【請求項2】 試料表面の1点でカンチレバーと試料と
    を接近させ、探針を試料表面に接触させたときの斥力に
    よるカンチレバーの変位が決められた値になった時、カ
    ンチレバーと試料とを引き離すという操作を複数回繰り
    返した後、試料表面の別の点で同じ操作を繰り返すこと
    を特徴とする請求項1に記載の原子間力顕微鏡の制御方
    法。
  3. 【請求項3】 柱状あるいは針状の突起物が形成された
    カンチレバー、カンチレバーの変位検出装置、試料ある
    いはカンチレバーの3次元微動装置、および画像化装置
    を有し、試料表面の1点でカンチレバーと試料とを接近
    させ、探針を試料表面に接触させたときの斥力によるカ
    ンチレバーの変位が決められた値になった時、カンチレ
    バーと試料とを引き離し、その後試料表面の別の点で同
    じ操作を繰り返すことにより、試料表面各点におけるを
    凹凸状態を測定し、試料表面の形状を画像化することを
    特徴とする原子間力顕微鏡。
  4. 【請求項4】 試料表面の1点でカンチレバーと試料と
    を接近させ、探針を試料表面に接触させたときの斥力に
    よるカンチレバーの変位が決められた値になった時、カ
    ンチレバーと試料とを引き離すという操作を複数回繰り
    返した後、試料表面の別の点で同じ操作を繰り返すこと
    により、試料表面各点における平均的な凹凸状態を測定
    することを特徴とする請求項3に記載の原子間力顕微
    鏡。
  5. 【請求項5】 柱状あるいは針状の突起物が、金属、酸
    化亜鉛、酸化錫、アルミナ、炭化珪素、あるいはフタロ
    シアニンなどの有機物の針状結晶であることを特徴とす
    る請求項3または請求項4に記載の原子間力顕微鏡。
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CN105423962A (zh) * 2015-11-05 2016-03-23 黑龙江大学 表面形貌测量教学仪及采用该教学仪测量表面形貌的方法
CN109238181B (zh) * 2018-09-29 2023-09-26 昆明理工大学 一种基于多级光杠杆的电梯轨道平整度检测系统及方法

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