JP3015980B2 - 原子間力顕微鏡及び記録再生装置及び再生装置 - Google Patents
原子間力顕微鏡及び記録再生装置及び再生装置Info
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Description
観察できる原子間力顕微鏡及びこれを用いた記録再生装
置、再生装置に関する。
造を直接観測できる走査型トンネル顕微鏡(以下「ST
M」と記す)が開発され(G.Binnig et.a
l.,Phys.Rev.Lett.49(1982)
57)、単結晶、非晶質を問わず実空間像を著しく高い
分解能(ナノメートル以下)で測定できるようになっ
た。STMは金属のプローブと導電性物質の間に電圧を
加えて、1nm程度の距離まで近づけるとトンネル電流
が流れることを利用している。この電流は両者の距離変
化に非常に敏感で指数関数的に変化するので、トンネル
電流を一定に保つようにプローブを走査することにより
実空間の表面構造を原子オーダーの分解能で観察するこ
とができる。
性のサンプルに限られ、絶縁性のサンプルの観察には向
かないという問題点が有った。そこで、新たに、原子間
力顕微鏡(Atomic Force Microsc
ope;以下「AFM」と記す)というアイデアが提唱
された(Binnig他 Phys.Rev.Let
t.56(1986)1930参照)。
面の形状を2次元的に観察するものであり、STMと異
なり、電気伝導性のない材料表面や有機分子がナノメー
トルスケールで観察できることから広範な応用が期待さ
れている。AFMは一般に先端径の小さなプローブ(探
針)を持つカンチレバー部と、このレバーの曲がりを測
定する変位測定部から構成される。このプローブは、カ
ンチレバーの自由端に、カンチレバー本体とは別個に作
製される場合や、カンチレバー自体を試料面と傾けて設
置することによりカンチレバーの自由端をプローブとし
て用いる場合等がある。
では分散力による微弱な引力が、近距離では斤力が働
く。カンチレバーの曲がりはこの作用する力に比例する
ので、この曲がりを測定することによって、プローブ先
端とこれに数nm以内に近接する試料表面間に働く微弱
で局所的な力を検出することが可能となる。さらに試料
を走査することで試料表面の力の2次元的情報が得られ
る。さらに、カンチレバーの曲がりを一定にするように
フィードバックをかけながら走査することにより、試料
表面の微小な凹凸形状を観察できる。
法としては、STMを応用する方式、試料とカンチレバ
ー間の電気容量を検出する方式、光の干渉を用いる方
式、カンチレバーにレーザー光を入射し、その反射角の
変化から曲がりを読みとる光てこ方式等があるが、操作
性、検出感度を考慮して光てこ方式が一般的である。
に1nm以下であるので試料表面に10nm程度の間隔
で凹凸を作製し、それをAFMで読み出すことによっ
て、1012ビット/cm2 近い超高密度のメモリを作製
することも可能である。
来例では以下に示すような問題がある。
概略図を示す。601は上部支持台で、その上に、レー
ザー602、2分割フォトダイオード603が取り付け
られており、該上部支持台601に、カンチレバー60
4がカンチレバー支持部605を介して取り付けられて
いる。606は上部支持台601と下部支持台607と
をつなぐ接続部であり、下部支持台607の上に、3次
元駆動可能な円筒ピエゾ608が取り付けられ、その上
部に試料609が固定されている。
08を2次元に移動させることにより、カンチレバー6
04が試料609を相対的に2次元に走査し、試料60
9の表面の凹凸に応じてカンチレバー604が曲がるの
でそれをレーザー光610の反射角の変化として、2分
割フォトダイオード603で検出する。ここで、レーザ
ー602と2分割フォトダイオード603は同一の支持
台607に固定されているので相対位置は変化しにくい
が、レーザー602、2分割フォトダイオード603と
カンチレバー604との相対位置はカンチレバー支持部
605の機械的強度が十分でないと変化してしまい、こ
れはそのまま測定誤差につながる。また、上部支持台6
01と下部支持台607との接続部が機械的に弱いと試
料609とカンチレバー604の相対位置が変化し、測
定誤差を生ずる。
大きく3つの部分、レーザー、検出器、カンチレバ
ー、試料に分かれ、それぞれが機械的に接続されてお
り、この接続部分の強度が十分でないと外来の振動ノイ
ズ、熱的なドリフト等により正しい測定が行えないとい
う問題がある。
げるためには、カンチレバーの弾性定数を小さくせざる
をえず、カンチレバー部で外来の音響振動を拾ってしま
い測定感度が十分上がらないという問題点もある。
記録再生装置に応用する際にも、エラーレートが大きく
なってしまうという問題点が有った。
みてなされたものであり、本発明の目的は、音響振動等
外来の振動、熱的なドリフトの影響を受けにくい高感度
のAFM、及び該AFMを用いた信頼性の高い記録再生
装置又は再生装置を提供することにある。
プローブを用いて試料表面情報の測定を行う原子間力顕
微鏡であって、前記梁型プローブの試料表面情報に応じ
て変位する部分に設けられた、試料表面情報を検出する
ための第1の受光部と、前記第1の受光部からの光を測
定する第1の光測定手段と、前記試料表面情報に応じた
変位が実質的に生じない部分に設けられた第2の受光部
と、前記第2の受光部からの光を測定する第2の光測定
手段と、前記第1の光測定手段から出力される第1の光
測定信号と前記第2の光測定手段から出力される第2の
光測定信号との差を算出することにより、前記梁型プロ
ーブと試料との相対的位置変化を補償する手段と、を備
えたことを特徴とする原子間力顕微鏡を提供するもので
ある。
えば上記第2受光部を、梁支持部近傍に設けることによ
り、梁型プローブと投光、受光側との相対変位を補償す
ることができる。また、例えば上記第2受光部を試料支
持部近傍に設けることにより、梁型プローブと試料との
相対変位を補償することができる。さらに、例えば上記
第2受光部をプローブを設けた梁と同一の支持部に固定
された補助カ梁上に設けることにより、梁型プローブ自
身が拾う音響振動等による影響を補償することができ
る。
ることにより、信頼性の高い記録再生装置又は再生装置
を提供するものである。
る。
01にレーザー102、集光レンズ103、ビームスプ
リッタ104、ミラー105、2分割フォトダイオード
106、107が取り付けられている。さらに、カンチ
レバー支持部108を介してカンチレバー109が取り
付けられている。また、押しバネ111、スプリング1
12によって支持台101と110は接続されており、
支持台110の上部に円筒ピエゾ113、さらにその上
部に試料114がセットされている。
は集光レンズ103により集束されさらにビームスプリ
ッタ104によってレーザービーム115、116に分
けられる。レーザービーム115はカンチレバー109
の先端部に照射され(ビーム径約20μm)、反射した
レーザービームは2分割フォトダイオード106に入射
され、カンチレバー109の変形が2分割フォトダイオ
ード106の差分出力の変動として検出される。
05によりカンチレバー109の根元に入射され、反射
光は2分割フォトダイオード107に入射される。これ
により、支持台101とカンチレバー109の相対位置
の変化が2分割フォトダイオード107の差分出力の変
動として検出される。
器117、118を介し、適当にゲインを調節した後、
差動増幅器119を通して差分を行えば、差動増幅器の
出力はカンチレバー全体の変動分がキャンセルされる為
外来振動ノイズ、熱的ドリフト等の影響を補償した試料
表面形状の検出信号として扱うことができる。よってこ
の差分出力を不図示の信号処理系にて処理して正確な試
料表面形状情報を得ることができる。
が上面図、下側が正面図である。カンチレバー202は
SiN(厚さ0.4μm、長さ100μm)のV字状で
あり、Siウェハー201上に作製されている。また、
レーザービーム照射面にはAu203が500Å蒸着さ
れている。レーザービーム115は弾性変形部(カンチ
レバーの先端)に、レーザービーム116はSiウェハ
ー部に照射される。
上にフォトリソグラフィーによって作製された0.7μ
mピッチのグレーティングを観察したところ補償前と補
償後で明らかに外部振動ノイズが減少していることがわ
かった。
にレーザー302、303、集光レンズ304、30
5、2分割フォトダイオード306、307が取り付け
られている。さらにカンチレバー支持部308を介し
て、カンチレバー309が取り付けられている。また、
押しバネ311、スプリング312によって支持台30
1と310は接続されており、支持台310の上部に副
反射部としてミラー313及び円筒ピエゾ314さらに
その上部に試料315がセットされている。レーザー3
02から発せられたビーム317は、下部の支持台31
0上に取り付けられたミラー313によって反射し、上
部の支持台301上に取り付けられた2分割フォトダイ
オード307に入射する。これにより、支持台301と
310即ちカンチレバー309と試料315との相対位
置の変化が2分割フォトダイオード307の差分出力の
変動として検出される。
18、319でそれぞれ増幅し、差動増幅器320で差
分をとることにより、外来振動ノイズ、熱的ドリフト等
の影響を補償した試料表面形状の検出信号を得ることが
できる。
したグレーティングを観察したところ、実施例1と同様
の好結果を得た。
上にある、レーザー402、集光レンズ404、2分割
フォトダイオード408、及び支持台412の上にある
ミラー415を用い、ビーム421の反射角の変化によ
ってカンチレバー410と試料417との間の相対位置
変動を補償するのは実施例2と同様である。本実施例で
は、レーザー403及びシリンドリカルビームエキスパ
ンダー405により、一方向に引きのばされたビーム4
18をカンチレバー410と補助カンチレバー411の
先端部に入射し、それぞれの反射ビーム419、420
をそれぞれ2分割フォトダイオード406、407で受
ける。カンチレバー410は試料表面の形状の検出に用
い、補助カンチレバー411は表面の形状検出には用い
ず直接的な音響振動を検出する。カンチレバー部の拡大
上面図を図5に示す。501はメインのカンチレバー、
502は補助カンチレバー、503はビーム照射部であ
る。尚、カンチレバー501と、補助カンチレバー50
2は、半導体プロセスによって作製されており、寸法、
形状をそろえておくことにより、カンチレバー501が
ひろってしまう音響振動と同量を補助カンチレバー50
2で検出することができ、補償がし易い。
プリング414、円筒ピエゾ416、試料417は実施
例2と同様のものを使用している。
6、407、408の差分出力を、フォトダイオード4
06の出力は増幅器422で、又フォトダイオード40
7、408の出力は一緒に増幅器423で、増幅率を適
切に調整して増幅し、各増幅器からの出力を差動増幅器
424で差分することにより、この差動増幅器の出力は
支持台412から伝わる外来の振動ノイズ、熱的なドリ
フトのみならず、カンチレバーに直接伝わる音響振動の
影響もキャンセルされて低減でき、この出力を不図示の
信号処理系で信号処理する事により正確な試料表面形状
情報が得られる。
ットの書き込み、読み出し実験を行った。
を示す。図4に示したのと同様の部材には同じ符番を冠
してある。ただし本実施例ではカンチレバー410に電
圧印加のためのメタルコーティングを施してある。70
1はこのカンチレバーと試料(記録媒体)417との間
に電圧を印加して記録媒体上に記録ビットを作成するた
めの電圧印加装置である。また702は円筒ピエゾ41
6を駆動して記録媒体上をカンチレバー410に二次元
走査させるためのXY走査制御装置である。703はコ
ントローラであり、XY走査制御装置702を制御する
とともに、記録情報と走査位置情報とに基づいて電圧印
加装置の電圧印加を制御して所定位置に所定記録ビット
を形成させ、かつ差動増幅器424からの出力信号を走
査位置情報とともに処理して記録情報の再生を行う。
う面にもAuを蒸着した。
成膜したAuを用い、上記カンチレバーと、該Au膜と
の間に数V、数μsec程度のパルス電圧を印加して、
直径10nm程度、高さ2nm程度の凸部を形成した。
これが記録ビットとなり、円筒ピエゾで2次元に走査し
ながら、記録ビット列を形成した。次に、実施例3と同
様にAFMによって、このビット列を読み出すことがで
きた。
も良い。
のような効果が得られる。 (1) 床振動等の外来の振動ノイズの影響を受けにく
くなるため、精度の高い測定が可能となる。 (2) 外来の音響振動の影響を受けにくくなるため、
より小さな弾性定数のカンチレバーを使用することがで
き、高感度測定が可能であるばかりでなく、硬度の小さ
な試料表面の観察も可能となる。 (3) 観察可能な環境の範囲が広がり操作性が向上す
る。 (4) エラーレートの低い高信頼性の記録再生装置を
作製できる。
図。
Claims (7)
- 【請求項1】 変位可能な梁型プローブを用いて試料表
面情報の測定を行う原子間力顕微鏡であって、前記梁型
プローブの試料表面情報に応じて変位する部分に設けら
れた、試料表面情報を検出するための第1の受光部と、
前記第1の受光部からの光を測定する第1の光測定手段
と、前記試料表面情報に応じた変位が実質的に生じない
部分に設けられた第2の受光部と、前記第2の受光部か
らの光を測定する第2の光測定手段と、前記第1の光測
定手段から出力される第1の光測定信号と前記第2の光
測定手段から出力される第2の光測定信号との差を算出
することにより、前記梁型プローブと試料との相対的位
置変化を補償する手段と、を備えたことを特徴とする原
子間力顕微鏡。 - 【請求項2】 第2受光部を梁の支持部近傍に設けたこ
とを特徴とする請求項1記載の原子間力顕微鏡。 - 【請求項3】 第2受光部を試料支持部近傍に設けたこ
とを特徴とする請求項1記載の原子間力顕微鏡。 - 【請求項4】 第2受光部をプローブを有する梁と同じ
支持部に固定された補助梁上に設けたことを特徴とする
請求項1及び3記載の原子間力顕微鏡。 - 【請求項5】 第1及び第2受光部が光反射部であるこ
とを特徴とする請求項1〜4記載の原子間力顕微鏡。 - 【請求項6】 請求項1〜5のいずれかに記載の原子間
力顕微鏡を用いたことを特徴とする記録再生装置。 - 【請求項7】 請求項1〜5のいずれかに記載の原子間
力顕微鏡を用いたことを特徴とする再生装置。
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ID=12033694
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1992
- 1992-01-10 JP JP4020672A patent/JP3015980B2/ja not_active Expired - Fee Related
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