JP3063351B2

JP3063351B2 - 原子間力顕微鏡用プローブ、原子間力顕微鏡、原子間力検出方法、原子間力顕微鏡用プローブの製造方法

Info

Publication number: JP3063351B2
Application number: JP4019209A
Authority: JP
Inventors: 美彦鈴木
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1992-02-04
Filing date: 1992-02-04
Publication date: 2000-07-12
Anticipated expiration: 2015-07-12
Also published as: JPH05215544A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、試料表面とプローブと
の間の原子間力を検出する原子間力顕微鏡に用いるのに
好適なプローブ、および、原子間力顕微鏡の原子間力検
出方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の原子間力顕微鏡用プローブは、原
子間力の大小に応じて変化するプローブの可撓性のプレ
ートの撓みを、以下のように光学的に検出している。す
なわち、原子間力顕微鏡に、レーザ光源と、受光素子
と、レーザ光を導くレンズ系とを搭載し、レーザ光源か
ら発せられたレーザ光を、レンズ系によってプローブの
プレート上に集光し、反射光を受光素子により受光し、
受光位置によって可撓性プレートの変位を検出する構成
となっている。

【０００３】原子間力の大きさは、試料とプローブの針
状チップとの距離に依存するので、原子間力の大きさを
一定に保つように、駆動部によってプローブの位置を上
下させることで、プローブの移動量で試料表面の凹凸を
検出する。そして、同時に相対的にプローブで試料表面
を走査し、試料表面の原子オーダの凹凸を検出する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述の原子間力顕微鏡
において、相対的にプローブで試料表面を走査する方法
には、プローブを一定位置に止めて試料側を走査する方
法と、試料を一定位置に止めてプローブ側を走査する方
法とが考えられる。しかし、従来の技術では、プローブ
を動かすと、必然的に、プローブにレーザ光を集光し反
射光を検出するための光学系、すなわち、レーザ光源、
レンズ系および受光素子のすべてをプローブと一緒に走
査しなければならなかった。そのため、これらすべてを
走査するための大がかりな駆動装置が必要であり、走査
範囲も制限される。そのため、従来の技術では、試料を
走査する方法が用いられているが、大きな試料や、安定
が悪く試料の走査によって振動してしまう試料等を、測
定することができないという問題があった。

【０００５】また、上述のように従来の技術では、原子
間力を検出するために、レーザ光源、レンズ系、受光素
子等の大がかりな装置が必要となり、原子間力顕微鏡を
小型化する障害になっていた。

【０００６】本発明は上記の問題点を解決し、原子間力
顕微鏡の原子間力検出装置を簡素で、小型にすることが
できる原子間力の検出方法、および、この方法を実現す
るための原子間力顕微鏡用プローブ、並びに、原子間力
顕微鏡を提供することを目的とする。

【０００７】

【問題点を解決するための手段】前述の問題点を解決す
るために、本発明では、原子間力によるプローブの変位
を検出する要素をプローブに一体化した。

【０００８】すなわち、本発明では、針状チップと、前
記針状チップを支持する可撓性のプレート部とを有する
原子間力顕微鏡用プローブにおいて、前記プレート部
は、導電性材料をループ状に配置したコイル部を有する
ようにした。

【０００９】また、本発明の別の態様によれば、針状チ
ップと、前記針状チップを支持する可撓性のプレート部
と、前記プレート上に設けられた導電性材料のコイル部
とを有するプローブと、前記コイル部の存在する空間に
磁界を発生する磁界発生手段と、前記プレート部の撓み
により前記コイル部に生じる電磁誘導を検出する検出部
とを有し、前記検出部の検出した電磁誘導から前記プレ
ートの撓み量を求め、これにより前記針状チップの受け
た原子間力を検出する原子間力顕微鏡が提供される。

【００１０】本発明のさらに別の態様によれば、針状チ
ップと、前記針状チップを支持する可撓性のプレート部
とを有する原子間力顕微鏡用プローブの原子間力検出方
法であって、前記プレート部に、導電性材料をループ状
に配置したコイル部を設け、前記コイル部を磁界中に配
置し、前記針状チップが受けた原子間力により生じた前
記プレートの撓みを、該撓みにより前記コイルに生じた
電磁誘導電流として検出し、これにより前記原子間力を
検出することを特徴とする原子間力顕微鏡用プローブの
原子間力検出方法が提供される。

【００１１】

【作用】以下、本発明の作用について、図１を用いて説
明する。

【００１２】本発明による原子間力顕微鏡用プローブ
は、針状チップ１を支持する可撓性プレート２に、導電
性材料をループ状に配置したコイル部４を有している。
可撓性プレート２は、一端に先端の鋭利な針状チップが
設けられ、他端を固定された片持ちバネとなっている。
固定される他端には、固定用の部材として本体３ａ、３
ｂを有することも可能である。

【００１３】針状チップ１は、先端部が測定すべき試料
に接近すると、試料表面と先端部との距離に依存した引
力または斥力の原子間力を受ける。可撓性プレート２
は、針状チップ１が受けた原子間力に応じて、撓みを生
じる。周知のように、これらの針状チップ１と可撓性プ
レート２は、薄膜製造技術を用いて容易に任意の形状に
製作することが可能である。

【００１４】コイル４は、導電性材料をプレート２上に
任意のループ形状に、任意の巻き数で形成することによ
り設けられる。コイル４を磁界中に配置した場合、可撓
性プレート２の撓み量が変化すると、コイル４を貫く磁
束数が変化するので、コイル４と磁界の間に電磁誘導が
生じる。この電磁誘導を検出することにより、可撓性プ
レート２の撓み量を検出でき、これにより原子間力を検
出できる。電磁誘導の検出量としては、コイルに流れる
電流の強度、周波数、位相、波形や、磁界の強度の変化
等を用いることができる。

【００１５】磁界としては、一様磁界または交番磁界を
用いることができる。一様磁界の発生手段としては、永
久磁石を、また、交番磁界の発生手段としては、電磁石
を用いることができる。磁界の方向は、磁束がコイル４
を貫く方向であれば良いが、特に、磁束が可撓性プレー
ト２と平行な場合に、プレート２が撓んだ時にコイル４
を貫く磁束数の変化率が多く、検出感度を高くすること
ができる。一様磁界を用いる場合には、ピエゾ素子等の
発振体により、プローブを該可撓プレート２の共振周波
数近傍で振動させる。

【００１６】一様磁界中で強制的に振動しているプレー
ト２のコイル４には、原子間力が加わっていない場合、
電磁誘導により交流の電流が生じる。原子間力が加わる
と、プレート２の振動の振幅および振動周波数が変化す
るので、コイル４を貫く磁束数が変化し、これによりコ
イル４に流れる交流電流の振幅、周波数、位相がシフト
する。周知のことであるが、このシフト量はプローブが
試料から受ける原子間力の大きさにより一義的に決ま
る。

【００１７】また、交番磁界中にプローブを配置した場
合も、可撓性プレート２が撓むことにより、コイル４を
貫く最大の磁束数が変化するので、可撓性プレート２の
撓みに応じた振幅を持つ誘導電流が得られる。

【００１８】したがって、電磁誘導によりコイルに流れ
る電流の強度、周波数、位相、波形や、磁界の強度の変
化等のいずれかを測定することで、原子間力の変化を検
出することができる。そして、測定値が一定になるよう
に、プローブまたは試料の高さを調節する駆動部をフィ
ードバック制御すると、その制御値が、試料の凹凸を示
す。さらに、同時に、相対的にプローブを試料表面上を
走査させると、試料表面の２次元凹凸イメージを得るこ
とが出来る。

【００１９】このように本発明では、可撓性プレート２
上にコイル４を設けたプローブを、磁界中に配置する簡
素な構成な構成であるため、プローブの変位検出装置の
大幅な小型化を可能とする発明である。また、プローブ
自体を走査することが可能となるので、試料サイズに制
限されることなく観察することも可能となる。

【００２０】

【実施例】

（実施例１）以下、本発明の一実施例の原子間力顕微鏡
およびプローブについて図１、図３を用いて具体的に説
明する。

【００２１】本実施例のプローブは、図１に示すよう
に、可撓性プレート２と、プレート２の一端の下面に設
けられた針状チップ１と、プレート２の上面に形成され
たコイル４と、プレート２の他端の上面に固定されたシ
リコン本体上部３ａおよび下面側に固定されたシリコン
本体下部３ｂを備えて構成される。

【００２２】プローブの製造方法を説明する。まず、プ
ローブ本体下部３ｂとなる、１００面方位シリコン単結
晶上に、可撓プレート２および針状チップ１として窒化
珪素膜を化学気相成長法により形成した。つぎに、窒化
珪素膜をリソグラフィ法により、図１の可撓性のプレー
ト２の形状にパターニングした。可撓性のプレート２上
に、アルミニウム膜を積層し、１ループの三角形のコイ
ル状にパターニングして、コイル４を形成した。さら
に、可撓性のプレート２の針状チップ１と反対側の端部
に、ガラス製のプローブ本体上部３ａを陽極接合した。
シリコン単結晶をアルカリエッチング溶液に浸漬し、プ
ローブ本体下部３ｂの形状にエッチングして、プローブ
を完成させた。本実施例では、可撓性プレート２の長さ
が１００から３００μｍの範囲の数種のプローブを形成
した。

【００２３】つぎに、上述のプローブを用いて観察を行
う原子間力顕微鏡を、図３を用いて説明する。原子間力
顕微鏡は、プローブの本体３ａ、３ｂを保持するプロー
ブホルダ５２と、プローブのプレート２の面方向に約１
万ガウスの磁束密度の磁界を発生する磁界発生手段であ
る永久磁石４５を備えている。プローブホルダ５２に
は、プローブがセットされると、プローブのコイル４と
配線５３とを接続する電気接点５９が設けられている。
顕微鏡の支柱５１には、ＸＹ方向にプローブを駆動する
ピエゾ素子４７が取り付けられている。ＸＹ方向に駆動
用ピエゾ素子４７には、さらにＺ方向にプローブを駆動
するピエゾ素子４６が取り付けられている。ピエゾ素子
４６および４７は、プローブをＸＹＺ方向に、駆動する
駆動部を構成している。ピエゾ素子４６および４７は、
プローブホルダ５２に連結している。

【００２４】また、支柱５１には、プローブのコイル４
に流れる交流電流を配線５３を介して受け取り、その振
幅を検出し、増幅する増幅器４８と、増幅器４８の増幅
した振幅を用いて、その振幅が一定になるように、ピエ
ゾ素子４６をフィードバック制御する制御回路４９が固
定されている。また、支柱５１には、試料５８を載置す
るための試料台５６と、試料台５６を粗移動するステー
ジ５７が設けられている。

【００２５】つぎに、本実施例の原子間力顕微鏡および
プローブを用いた試料５８の表面の凹凸の測定手順およ
び原子間力顕微鏡の動作を説明する。まず、プローブの
プレート２の面方向と、永久磁石４５の磁界の方向が一
致するように、プローブをプローブホルダ５２にセット
する。このセットにより同時に、プローブのコイル４
は、電気接点５９および信号配線５３により電気的に増
幅器４８と接続される。つぎにプローブをピエゾ素子４
６により、振動数１０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ、振幅量
（ピエゾ素子）１〜１０オングストロームで、Ｚ方向に
強制励振させる。これにより、磁界中でコイル４が振動
し、コイル４を貫く磁束数が変化するので、増幅器４８
では、コイル４から交流の誘導電流の振幅が得られる。

【００２６】この状態で、ピエゾ素子４７によりプロー
ブをＺ方向に駆動し、針状チップ１を試料に近づける
と、針状チップ１の先端と試料５８との距離に応じた原
子間力により、可撓プレート２の振動数、振動振幅およ
び振動位相が変化し、増幅器４８により得られる誘導電
流の振幅も変化する。制御回路４９は、この振幅が一定
になるように、ピエゾ素子４６をフィードバック制御
し、針状チップ１と試料５８との距離を一定に保つ。さ
らに、ピエゾ素子４７により、プローブを試料５８の表
面（Ｘ−Ｙ面）で走査しながら、ピエゾ素子４６のＺ方
向の移動量を出力すると、試料５８表面の２次元凹凸イ
メージを得ることができる。

【００２７】本実施例では、試料５８としてガラスの回
折格子を用い、上記手順により原子間力顕微鏡により、
試料５８の表面イメージを測定した。本実施例のプロー
ブおよび原子間力顕微鏡で得たイメージを、従来の光学
的にプレートの撓み変位を測定する原子間力顕微鏡で得
たイメージと比較したところ、遜色のない鮮明な試料表
面イメージであった。

【００２８】このように本実施例では、可撓性プレート
にコイルを設け、コイルを磁界中におくという簡素な構
成で、プレート２の変位量を電気信号に変化することが
できる。このような簡素な構成であるため、上述のよう
に、プローブをＸＹ方向に走査することができ、試料の
サイズや状態に制限されることがないため、大きな試料
や、安定が悪く、試料を走査することができない試料で
も観察することができる。また、コイル４、磁界発生手
段４５、増幅器４８および制御回路４９はコンパクトで
あるので、原子間力顕微鏡を小型化することができる。

【００２９】（実施例２）さらに、本発明の別の実施例
の原子間力顕微鏡およびプローブについて、図２を用い
て具体的に説明する。

【００３０】本実施例のプローブは、図２のように可撓
性プレート２２の針状チップ２１が設けられている下面
側に、矩形型のループ状のコイル２３を備えている。ま
た、プレート２２の上面側の端部に、上部本体２４を備
えている。

【００３１】プローブの製造方法を説明する。まず、プ
ローブ本体２４の材料として、１００面方位シリコン単
結晶を用い、化学気相成長法により可撓性プレート２２
となる窒化珪素膜を形成した。つぎに窒化珪素膜をリソ
グラフィ法により、図２の可撓性プレート２２の形状に
パターニングした。窒化珪素膜上に、金膜を積層し、図
２のコイル２３の形状にパターニングした。このあと、
シリコン単結晶をアルカリエッチング溶液に浸漬しプロ
ーブ本体２４の形状とした。最後に、可撓性プレート２
の先端に、炭化水素雰囲気中で電子ビームを照射して、
炭素を堆積させ、針状チップ２１を形成し、プローブを
完成させた。

【００３２】つぎに、上述のプローブを用いて観察を行
う原子間力顕微鏡を説明する。本実施例の原子間力顕微
鏡は、実施例１に示した図３の原子間力顕微鏡と、ほぼ
同様に構成である。実施例１では、磁界発生手段として
永久磁石４５を用いたが、本実施例では電磁石を備え
る。電磁石には交番電圧を入力し、交番磁界を発生させ
る。電磁石の位置および他の部分は、実施例１に示した
原子間力顕微鏡と同様であるので説明を省略する。

【００３３】プローブは、可撓性プレート２２が、電磁
石の交番磁界の磁束の方向からやや傾くように、ホルダ
５２にセットする。交番磁界中では、可撓性プレート２
２が静止状態であっても、交番磁界の振動数に準じた誘
導電流がコイル２３にながれる。この状態で、プローブ
をピエゾ素子４６で試料表面に近づけていくと、針状チ
ップ２１と試料５８との間の原子間力の発生により可撓
プレートが撓み、コイル２３をよぎる磁束数が変化し、
増幅器４８には振幅が変化した誘導電流が得られる。こ
の振幅を一定に保つように、ピエゾ素子４６をフィード
バック制御し、針状チップ２１と試料５８の距離を一定
に保つ。同時にピエゾ素子４７によりプローブを試料５
８の表面で走査して、ピエゾ素子４６の制御量を出力す
ると、試料５８の表面の２次元イメージが測定できる。

【００３４】本実施例では、上述の動作により、グラフ
ァイトのへきかい面、赤血球、シリコンウエハ、ポリジ
アセチレン膜、炭素膜の表面イメージを測定した。そし
て、本実施例のプローブおよび原子間力顕微鏡で得たイ
メージを、従来の光学的にプレート１の撓み変位を測定
する原子間力顕微鏡で得たイメージと比較したところ、
遜色のない鮮明な試料表面イメージであった。

【００３５】本実施例の原子間力顕微鏡およびプローブ
を用いることにより、実施例１と同様に、プローブを走
査することが可能な、コンパクトな原子間力顕微鏡を得
ることが可能である。

【００３６】上述の実施例１および実施例２では、コイ
ル４、２３の交流電流の振幅により、ピエゾ素子４６の
制御を行ったが、本発明はこれに限定されるものではな
く、振動数や位相のシフト量が一定になるようにピエゾ
素子４６を制御することももちろん可能である。

【００３７】また、針状チップ１、２１の表面を金属膜
で被服すれば、上述の実施例１、実施例２の動作によ
り、試料５８表面と針状チップ１、２１を一定ギャップ
に保ちながら、試料５８と針状チップ１、２１との間の
電気容量を測定できる。これにより、試料５８の表面原
子の電気的性質の変化も捕らえることができる。

【００３８】また、実施例１、実施例２では、永久磁石
４５または電磁石の磁界発生手段を原子間力顕微鏡のプ
ローブホルダ５２側に設置したが、プローブの上部本体
３ａ、２４の位置に配置し、磁界発生手段付きプローブ
としても良い。また、コイル４、２３は、絶縁層を間に
挟み複数のループを有するコイルにしても良い。コイル
形状は、円形、楕円、多角形状でもよい。

【００３９】

【発明の効果】以上のように本発明の原子間力顕微鏡
は、プローブの可撓性プレートに付設したコイルを、磁
界中に配置することにより、プローブの可撓性プレート
の変位を検出する構成であるので、原子間力の検出を小
型で簡素な装置により行うことができる。これにより、
原子間力顕微鏡を小型で簡素な構成にすることができ
る。また、本発明では原子間力の検出するための手段
が、このような簡素な構成であるので、プローブと一緒
に走査することが可能となり、試料のサイズや試料の安
定性に制限されず、大きな試料や、安定が悪く走査する
と振動するような試料を観察することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のプローブの一実施例を示す斜視図。

【図２】本発明のプローブの別の実施例を示す斜視図。

【図３】本発明の原子間力顕微鏡の一実施例の構成を示
す説明図。

【符号の説明】

１、２１…針状チップ、２、２２…可撓性プレート、３
ａ、２４…シリコン本体上部、３ｂ…シリコン本体下
部、４、２３…コイル、４６…Ｚ方向用ピエゾ素子、４
７…ＸＹ方向用ピエゾ素子、４８…増幅器、４５…永久
磁石、４９…制御回路、５１…支柱、５２…プローブホ
ルダ、５３、５５…信号配線、５６…試料台、５８…試
料、５９…電気接点、５７…試料粗移動ステージ。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】針状チップと、前記針状チップを支持する
可撓性のプレート部と、磁界発生手段とを有し、前記プレート部は、導電性材料をループ状に配置したコ
イル部を備え、前記磁界発生手段は、前記コイル部の存在する空間に磁
界を発生させることを特徴とする原子間力顕微鏡用プロ
ーブ。
【請求項２】請求項１において、前記コイル部は、前記
プレート部の表面に配置された導電性材料薄膜により構
成されていることを特徴とする原子間力顕微鏡用プロー
ブ。
【請求項３】請求項１において、前記磁界発生手段は、
前記プレート部の面方向に磁界を印加することを特徴と
する原子間力顕微鏡用プローブ。
【請求項４】針状チップと、前記針状チップを支持する
可撓性のプレート部と、前記プレート上に設けられた導
電性材料のコイル部とを有するプローブと、前記コイル部の存在する空間に磁界を発生する磁界発生
手段と、前記プレート部の撓みにより前記コイル部に生じる電磁
誘導を検出する検出部とを有し、前記検出部の検出した電磁誘導から前記プレートの撓み
量を求め、これにより前記針状チップの受けた原子間力
を検出する原子間力顕微鏡。
【請求項５】請求項４において、前記コイル部は、前記
プレート部の表面に配置された導電性材料薄膜により構
成されていることを特徴とする原子間力顕微鏡。
【請求項６】請求項４において、前記磁界発生手段は、
前記プレート部の面方向に磁界を印加することを特徴と
する原子間力顕微鏡。
【請求項７】針状チップと、前記針状チップを支持する
可撓性のプレート部とを有する原子間力顕微鏡用プロー
ブの原子間力検出方法であって、前記プレート部に、導電性材料をループ状に配置したコ
イル部を設け、前記コイル部を磁界中に配置し、前記針状チップが受けた原子間力により生じた前記プレ
ートの撓みを、該撓みにより前記コイルに生じた電磁誘
導として検出し、これにより前記原子間力を検出するこ
とを特徴とする原子間力顕微鏡用プローブの原子間力検
出方法。
【請求項８】針状チップと、前記針状チップを支持する
可撓性のプレート部と、前記プレート上に設けられた導
電性材料のコイル部と、磁界発生部とを有する原子間力
顕微鏡用プローブの製造方法であって、シリコン基板上に窒化珪素膜を成膜およびパターニング
することにより、前記針状チップと前記プレート部とを
形成する工程と、前記プレート上に導電性材料膜を成膜し、該導電性材料
膜をコイル形状にパターニングすることにより、前記コ
イル部を形成する工程と、前記プレート上に前記磁界発生部を配置する工程と、前
記シリコン基板をエッチングする工程とを含むことを特
徴とする原子間力顕微鏡用プローブの製造方法。