JP3069609B2 - 原子間力顕微鏡 - Google Patents
原子間力顕微鏡Info
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Description
【発明の詳細な説明】 〔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。
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。
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おいて、微小ばね要
素及び変位検出手段を微動素子に取り付ける構成とし、
試料の大きさに対する制限を緩和し、使い勝手の良い原
子間力顕微鏡を提供するものである。
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おいて、微小ばね要
素及び変位検出手段を微動素子に取り付ける構成とし、
試料の大きさに対する制限を緩和し、使い勝手の良い原
子間力顕微鏡を提供するものである。
原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope）はSTM
の発明者であるG.Binnigらによって考案（Physical Re
view Letters vol.56 p930 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
信号を形成情報として、前記試料表面の形状を測定する
ものである。
の発明者であるG.Binnigらによって考案（Physical Re
view Letters vol.56 p930 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
信号を形成情報として、前記試料表面の形状を測定する
ものである。
ばね要素の変位検出手段としてはトンネル電流を用い
るSTM方式と光学的方式に大別される。
るSTM方式と光学的方式に大別される。
STM方式は二つの導体を数ナノメータ〜数オングスト
ロームの距離に近付け電圧を印加すると電流が流れ始め
るいわゆるトンネル現象を利用するものである。ばね要
素に導電性を付与しておき、鋭利な金属針をばね要素に
１ナノメータ程度まで接近させてトンネル電流を流し、
その電流値をばね要素の変位信号として制御を行う。
ロームの距離に近付け電圧を印加すると電流が流れ始め
るいわゆるトンネル現象を利用するものである。ばね要
素に導電性を付与しておき、鋭利な金属針をばね要素に
１ナノメータ程度まで接近させてトンネル電流を流し、
その電流値をばね要素の変位信号として制御を行う。
光学的方式にはいわゆる干渉法そのものを使った例
（Journal of Vacuum Science Technologyr A6
（２）p266 Mar/Apr 1988）や、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 Physics 65（１）、１ p164 Januar
y 1989）が報告されている。
（Journal of Vacuum Science Technologyr A6
（２）p266 Mar/Apr 1988）や、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 Physics 65（１）、１ p164 Januar
y 1989）が報告されている。
第３図に原子間力顕微鏡の動作原理を示す。第３図
（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。第３図（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。
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。
（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。第３図（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。
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。
第２図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に固定され、３次元に駆動される。微動素子４によ
り試料１はばね要素３に対し、試料平面に垂直な方向の
距離を調整されつつ試料平面方向に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。
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に固定され、３次元に駆動される。微動素子４によ
り試料１はばね要素３に対し、試料平面に垂直な方向の
距離を調整されつつ試料平面方向に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。
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６から出射された光はレンズa8によりばね要素３の裏
面先端部に集光される。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11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11−ａ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少す
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。
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６から出射された光はレンズa8によりばね要素３の裏
面先端部に集光される。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11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11−ａ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少す
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。
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。
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。
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。
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。
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。光源
は微動素子の外部に設け、光ファイバーによりレーザー
光を誘導し、微動素子先端部にはレンズ、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
成することとした。
変位検出手段を微動素子に取り付ける構成とした。光源
は微動素子の外部に設け、光ファイバーによりレーザー
光を誘導し、微動素子先端部にはレンズ、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
成することとした。
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。
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。
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変換を行う等、設計
自由度が向上する。
搬送機構と組み合わせて試料の自動変換を行う等、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。
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。
以下に本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
第１図（ａ）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。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。
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。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。
圧電素子からなる微動素子４に対する負荷を軽減する
ため半導体レーザ６はフレーム14に設け、レーザ光は光
ファイバー７によって微動素子先端に導く。ばね要素３
は支持部材12にばね13によって押圧され、レンズa8から
の出射光軸に対し傾いて固定される。ファイバー７から
の光はレンズa8によりばね要素端部に集光され、その反
射光はミラー10を介して２分割のフォトディテクター11
−ａに入射される。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。
ため半導体レーザ６はフレーム14に設け、レーザ光は光
ファイバー７によって微動素子先端に導く。ばね要素３
は支持部材12にばね13によって押圧され、レンズa8から
の出射光軸に対し傾いて固定される。ファイバー７から
の光はレンズa8によりばね要素端部に集光され、その反
射光はミラー10を介して２分割のフォトディテクター11
−ａに入射される。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。
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。
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。
第１図（ｂ）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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
第１図（ａ），（ｂ）は本発明にかかる原子間力顕微鏡
のそれぞれ別の実施例を示すブロック図、第２図は従来
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、第３図は原子間力顕微鏡の動作原理を示す概念図で
ある。 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 ７……光ファイバー 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
のそれぞれ別の実施例を示すブロック図、第２図は従来
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、第３図は原子間力顕微鏡の動作原理を示す概念図で
ある。 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 ７……光ファイバー 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
───────────────────────────────────────────────────── 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 11/00 - 11/30 102 G01N 37/00
Claims (4)
- 【請求項１】試料表面より受ける原子間力を変位に変化
するばね要素と、このばね要素にレーザー光を照射しそ
の反射光を位置ずれとして光検出素子にて検出する変位
検出手段と、試料とばね要素を３次元的に相対運動させ
る粗動機構及び微動素子と、試料とばね要素間を一定の
距離に保つ制御手段と、装置から振動を除去する除振機
構と、装置全体を制御するコンピュータを有し、試料表
面の形状を観察する原子間力顕微鏡において、 前記ばね要素と前記変位検出手段を前記微動素子側に配
置した事を特徴とする原子間力顕微鏡。 - 【請求項２】前記レーザー光の光源を微動素子の外部に
設け、光ファイバーにより前記レーザー光を誘導するこ
とを特徴とする請求項１に記載の原子間力顕微鏡 - 【請求項３】前記レーザー光の光源を微動素子の外部に
設け、光ファイバーにより前記レーザー光を誘導し、前
記光ファイバによって導かれた光を前記ばね要素先端部
に集光するレンズと、前記ばね要素と、前記ばね要素先
端部での反射光を反射するミラーと、前記反射された光
を検出する光検出素子とをフレームに設け、該フレーム
を前記微動素子端部に取り付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】微動素子が粗動機構上に配置される構成で
あることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載
の原子間力顕微鏡。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2100904A JP3069609B2 (ja) | 1990-04-17 | 1990-04-17 | 原子間力顕微鏡 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2100904A JP3069609B2 (ja) | 1990-04-17 | 1990-04-17 | 原子間力顕微鏡 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03296612A JPH03296612A (ja) | 1991-12-27 |
| JP3069609B2 true JP3069609B2 (ja) | 2000-07-24 |
Family
ID=14286334
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2100904A Expired - Fee Related JP3069609B2 (ja) | 1990-04-17 | 1990-04-17 | 原子間力顕微鏡 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3069609B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5408094A (en) * | 1992-05-07 | 1995-04-18 | Olympus Optical Co., Ltd. | Atomic force microscope with light beam emission at predetermined angle |
| US5689063A (en) * | 1993-07-15 | 1997-11-18 | Nikon Corporation | Atomic force microscope using cantilever attached to optical microscope |
| JP4068525B2 (ja) * | 2003-08-19 | 2008-03-26 | エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社 | 防音ボックスおよびそれを用いたプローブ顕微鏡 |
| JP2016017862A (ja) * | 2014-07-09 | 2016-02-01 | 株式会社日立ハイテクサイエンス | ３次元微動装置 |
-
1990
- 1990-04-17 JP JP2100904A patent/JP3069609B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03296612A (ja) | 1991-12-27 |
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