JP3070316B2

JP3070316B2 - 走査型力顕微鏡

Info

Publication number: JP3070316B2
Application number: JP4347690A
Authority: JP
Inventors: 敦菊川; 純男保坂; 幸雄本多
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-12-28
Filing date: 1992-12-28
Publication date: 2000-07-31
Anticipated expiration: 2015-07-31
Also published as: JPH06201371A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固体表面の微細な形態
及び磁気情報を計測する計測装置に関わる。

【０００２】

【従来の技術】固体表面の微細な形態等を観察する手段
として、近年、従来の走査型電子顕微鏡等に加えて走査
型トンネル顕微鏡や走査型力顕微鏡等が実用に供される
ようになってきた。走査型力顕微鏡は、原子間力顕微鏡
や磁気力顕微鏡等の総称で、試料の導電性の有無に関わ
らず測定が可能であるという特徴を有する。また、磁気
力顕微鏡に代表されるように磁気情報などの形態以外の
物理量を測定することも可能である。

【０００３】走査型力顕微鏡の動作モードは、大別して
２つある。第１のモードは、カンチレバー（片持ち梁）
の尖端（自由端側にある）を試料に接触させて表面を走
査し、表面の凹凸を捕らえる。その際にかかる荷重を極
めて小さくするこにより原子レベルの分解能を実現して
いる。第２のモードは、カンチレバー尖端に働く力によ
ってカンチレバーの共振周波数変化を検出する。この場
合、カンチレバーは接触させずに微小振幅で試料面に垂
直に振動させながら走査する。本発明は、この第２のモ
ードに関わるので、以下に簡単に解説する。

【０００４】このモードを用いた原子間力顕微鏡は、米
国特許出願第８０２１２３号（特開昭６２−１３０３０
２）にもとづいて実現される。そして、その実現例がジ
ャーナル・オブ・フィジックス(J.Appl.Phys.)誌、1987
年、第61巻、4723項から4729項に記述されている。この
モードでは、カンチレバーを試料表面に接触させずに数
10nm程度離した状態で、カンチレバーの先端と試料の間
に働く原子間力によるカンチレバーの実効的なバネ定数
の変化によっておこるカンチレバーの共振周波数の変化
を検出する。すなわち、カンチレバーの共振周波数に近
い周波数の駆動力でカンチレバーを励振して、カンチレ
バーの共振特性を用いて共振周波数変化をその振幅変化
から検出する方法（スロープ・ディテクション法）であ
る。そして、この振幅が一定になるように試料とカンチ
レバーの距離を制御しながら走査を行う。このモードの
特徴は、直接力を検出するのではなく力のｚ軸（試料表
面に対し垂直）方向の微係数を検出することにある。こ
のため、カンチレバー尖端に働く力が小さくてもｚ軸方
向の微係数が十分に大きければ検出できる。事実、この
モードにおいて検出される力は、固体表面近傍で働く極
弱い引力である。また、このモードは磁気力顕微鏡にお
いては最も広く用いられているものである。これは、強
磁性体尖端の体積が極めて小さいため、試料との相互作
用も極小さなものであるからである。このモードを用い
た磁気力顕微鏡については、アプライド・フィジックス
・レターズ(Appl.Phys.Lett.）誌、1987年、第50巻、14
55項から1457項に記載の論文に述べられている。

【０００５】これまでのところ、カンチレバーの共振点
シフトを検出する方法として、スロープ・ディテクショ
ン法がもっぱら用いられてきた。この方式の欠点は、第
一には、カンチレバーの共振点シフトとは無関係な要
因、例えば、カンチレバーの振幅を検出する光干渉計の
光源であるレーザのパワー変動などの影響を受けやすい
ことにある。第二には、動作周波数の帯域幅が狭いこと
である。これは、カンチレバーの振幅が数nmから数10nm
と非常に小さいために十分な信号対雑音比を確保すると
振幅検出回路系の帯域幅を広くとれないためである。こ
れらの欠点を解決する手段として、カンチレバーの共振
点を直接検出することが考えられている。この方法は既
に一部で実現されている。その一例は、ジャーナル・オ
ブ・アプライド・フィジックス（Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｙ
ｓ．）誌、１９９１年、第６９巻、６６８項から６７３
項に記載の論文中で述べられている。これらの装置の特
徴は、真空中に置かれたカンチレバーの振幅検出系の出
力をカンチレバー励振系に正帰還させることにより発振
回路を構成し、その発振信号の周波数をＦＭ検波器で検
出することによりカンチレバーの共振点を直接検出して
いることである。これは、このような発振回路系は、そ
の中に含まれる共振器の共振点で発振することを利用し
たものである。この技術により、外乱の影響を受けにく
く、かつ、帯域幅の広い走査型力顕微鏡を構成すること
が可能となった。しかし、この論文に記述されている装
置で採用されているＦＭ検波器は、ＬＣフィルタのスロ
ープ特性を利用したもので雑音特性は他のＦＭ検波器と
比較して特に優れているわけではない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来技術においては、
カンチレバーは真空中に置かれているために一度真空中
に置けば、そのカンチレバー変位検出系の調整を行なう
のは困難である。また、真空を作るための真空容器やポ
ンプ類が必要であるために装置の価格が高くなる。ま
た、カンチレバー変位検出手段に光てこを用いている場
合には、カンチレバーが微細なために光軸の調整に顕微
鏡等の観察手段が必要である。本発明の目的は、発振回
路系を大気中で動作させることによりこれらの課題を解
決し、調整容易かつ低価格な走査型力顕微鏡を提供する
ことにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の一局面によれば、カンチレバー変位信号を
増幅する手段と、フェイズ・ロックド・ループを用い
た、カンチレバー変位信号周波数を検出する手段を有す
る。また、本発明の限定された一局面によればカンチレ
バー尖端と試料の間に静電バイアスをかける手段を有す
る。また、本発明の限定された一局面によればカンチレ
バーが強磁性を有する尖端を有する。また、本発明の限
定された一局面によれば、光てこ光学系と調整用光学系
が一体化されている。

【０００８】

【作用】カンチレバーの変位信号を増幅することは大気
中でも安定に発振するように作用する。フェイズ・ロッ
クド・ループを用いてカンチレバー変位信号周波数を検
出することは、検波出力の雑音を低減するように作用す
る。カンチレバー尖端と試料表面の間に静電バイアスを
かけることは、カンチレバー尖端と試料表面の距離の調
整を容易にするように作用する。強磁性体からなるカン
チレバー尖端は、試料からの漏洩磁界を測定可能にする
ように作用する。

【０００９】

【実施例】図１は、本発明の一実施例である。本実施例
では、カンチレバー１の変位検出手段として光てこを用
いている。光てこの代わりに光干渉計などを用いること
も出来る。半導体レーザモジュール２は、半導体レーザ
とレーザ光線を収束させるための光学系から成る。半導
体レーザ・モジュールからでるレーザ光線は、カンチレ
バーの表面に合焦するように調整されている。カンチレ
バーの表面は、平坦で必要に応じて金属等がコーティン
グされているのでレーザ光線は反射される。反射光は、
光スポット・センサ３に入射するように半導体レーザ・
モジュール、カンチレバー、光スポット・センサの位置
・光軸は調整されている。反射光は、光スポットセンサ
上に光スポットを形成する。光スポット・センサは、同
センサ上の光スポットの位置を電気信号（カンチレバー
変位信号）に変換する。光スポット・センサとしては、
２分割光ダイオードや表面に抵抗層を形成した光ダイオ
ード等が利用できる。カンチレバー変位信号は、帰還ア
ンプ５によって増幅され、圧電振動子６とＦＭ検波器７
とにそれぞれ入力される。この信号により圧電振動子は
カンチレバーを振動させる。即ち、光てこ、帰還アン
プ、圧電振動子から成る帰還ループを構成している。カ
ンチレバーは、その構造・材質によって決定される機械
的な共振特性を有する。カンチレバーの共振周波数にお
いて、先の帰還ループは正帰還かつループ・ゲインが１
以上になるように振幅・位相が調整されているので、こ
の帰還ループはカンチレバーの共振周波数において発振
する。即ち、発振回路が構成されている。従って、ＦＭ
検波器への入力信号もこの発振信号となる。大気中にお
いては、カンチレバーのＱ値は、空気抵抗のためにあま
り大きくない。これにより、発振周波数の変動が大きく
なり、結果として最終出力の雑音を増大させる。しか
し、本実施例においてはループ・ゲインを十分に大きく
とることにより、発振周波数の変動を小さく抑えてい
る。

【００１０】ＦＭ検波器は、先の発振信号の周波数を検
出してそれに対応するベースバンド信号に変換する。Ｆ
Ｍ検波器は、各種の形式が存在するが、本実施例では雑
音特性に優れるフェイズ・ロックド・ループ方式を採用
している。図２にフェイズ・ロックド・ループの構成を
示す。フェイズ・ロックド・ループは、一種のフィード
バック系で、無線通信機、テレビジョンをはじめとした
電子機器に広く応用されている技術であるが、以下に簡
単に説明を加えておく。尚、同技術に関する文献として
は、フェーズ・ロックド・ループス（Ｐｈａｓｅ−ｌｏ
ｃｋｅｄｌｏｏｐｓ），ローランド・ベスト（Ｒｏｌ
ａｎｄＢｅｓｔ）著、マクグロウ・ヒル（ＭｃＧｒａ
ｗ−Ｈｉｌｌ，Ｉｎｃ．）社、１９８４年刊やフェーズ
ロック・テクニックス（ＰｈａｓｅｌｏｃｋＴｅｃｈ
ｎｉｑｕｅｓ），フロイド・ガードナー（Ｆｌｏｙｄ
Ｇａｒｄｎｅｒ）著、ジョン・ワイリー・アンド・サン
ズ（ＪｏｈｎＷｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ，Ｉｎｃ．）
社、１９６６年刊が挙げられる。フェイズ・ロックド・
ループは、位相比較器２１、ループ・フィルタ２２、電
圧制御発振器２３から構成される。位相比較器は、入力
信号の位相と電圧制御発振器の出力の位相差を出力す
る。位相差信号は、ループ・フィルタ（低域フィルタ）
に入力され不要な高周波成分の除去が行なわれる。ルー
プ・フィルタの出力は、電圧制御発振器の制御電圧（制
御信号）となる。電圧制御発振器の発振周波数は、この
制御電圧によって２つの信号の周波数差が小さく（周波
数は位相の時間微分）なるように制御される。電圧制御
発振器の制御信号は入力信号の周波数変化の追従信号に
なっている。すなわち、フェイズ・ロックド・ループは
ＦＭ検波器として動作する。フェイズ・ロックド・ルー
プを応用したＦＭ検波器は、入力雑音の影響を最大で６
ｄＢ低減できる優れた特性を有する。

【００１１】検波出力（電圧制御発振器の制御信号）
は、サーボ回路８と表示装置１２とにそれぞれ送られ
る。サーボ回路は、検波出力が所望の値になるようにＸ
ＹＺスキャナのＺ軸を駆動して試料４とカンチレバーの
尖端との距離を調節する（後述するように、発振回路の
発振周波数は試料とカンチレバー尖端の間の距離で変化
する）。

【００１２】ＸＹ走査信号源１１は、２次元走査信号を
発生し、ＸＹＺスキャナのＸ，Ｙ各軸を駆動する。走査
信号は、同時に表示装置にも送られる。表示装置は、走
査信号と検波出力をもとにして各走査位置毎に検波出力
信号を表示する。

【００１３】次に、カンチレバーの共振周波数とカンチ
レバーに働く力の関係を説明する。式１にカンチレバー
の運動方程式を示す。カンチレバーを試料表面のポテン
シャル中で強制振動させるのでこのように表現される。

【００１４】

【数１】

【００１５】ただし、ｍは有効質量、ｋはカンチレバー
のバネ定数、Γは効力の係数、Ｖ（ｚ）はポテンシャ
ル、Ｆはカンチレバー駆動力の振幅、ａはカンチレバー
の平衡点のｚ座標、ωは外力の角周波数である。カンチ
レバーの平衡点（ｚ＝ａ）の近傍で、振幅が十分に小さ
いという仮定で近似を行い、ポテンシャルの影響による
共振点のシフト量を求めると次のようになる。

【００１６】

【数２】

【００１７】ただし、

【００１８】

【数３】

【００１９】一般に、カンチレバー尖端を試料表面に接
近させると図３に示すような力が働くことが知られてい
る。このことは、当業者には広く知られている。本実施
例の装置は、図３でカンチレバーに働く力が負の領域、
すなわち、引力領域で動作する。引力領域においては、
力のｚ方向の微係数は負である。従って、カンチレバー
の尖端を試料表面に接近させると発振回路の発振周波数
は下がる。図４は、カンチレバーを試料表面に接近させ
たときの周波数変化の実験結果である。表面に接近する
につれて発振周波数が下がっている。

【００２０】本装置の特徴の一つは、大気中において動
作可能でありながら、より高性能を発揮してしかるべき
真空中にて動作する同種の装置に迫る性能を実現してい
ることである。このことは、図５と図６を比較すれば明
らかである。図５は、本装置を用いて光磁気ディスクの
記録磁区を観察した例である。磁気情報を得るために、
観察には強磁性体尖端を有するカンチレバーを用いてい
る。図５中の長楕円形の図形が記録磁区である。試料表
面からの漏洩磁界は、この記録磁区の境界部から特に強
く漏れている。カンチレバーの強磁性体尖端は、漏洩磁
界と相互作用を起こすので、図５のように磁区の境界部
が明暗のコントラストとして観察される。磁区の境界部
及び内部に見られる微細な構造から分解能はおよそ１０
０ｎｍと判断される。図６は、同一の試料を真空中で動
作する図１と同種の装置で観察した例である。走査機構
の相違等により倍率及び縦横比が異なるが、分解能は図
５と同等である。尚、分解能はカンチレバー尖端と試料
の間の距離の影響を受けるが図５と図６とではこの距離
はほぼ同一である。明らかに、本装置は大気中動作であ
りながら真空中動作の装置と同等の性能を発揮してい
る。

【００２１】図１に示した装置は、大気中においても動
作可能である。従って、必要に応じて光てこなどの調整
を随時行なうことが可能である。また、真空容器やポン
プ類が不要であるので装置を安価に構成できる。

【００２２】図７は、光てこの光軸調整が容易なように
改良された半導体レーザ・モジュールの例である。カン
チレバーは、リソグラフィー技術を用いて作製した全長
２００ミクロンほどの極小さなものである。従って、光
軸を調整する際には顕微鏡などを用いることが多い。図
７の例においては、光源、収束光学系、顕微鏡が一体化
されている。半導体レーザ３１を発したレーザ光線は、
コリメータ・レンズ３２によって収束される。焦点は、
カンチレバー表面上に合わせる必要があるが、これは半
導体レーザ・モジュール全体を移動させることにより行
なう。光路の途中には、ビーム・スプリッタ３３が配置
されている。これは、２つの４５度直角プリズムを図に
示すように貼りあわせたものである。カンチレバー側か
ら入射して来る光の一部はプリズムの貼り合わせ面で反
射されレンズ３４を通過する。レンズとコリメータ・レ
ンズは、焦点距離が同一である。半導体レーザ、コリメ
ータ・レンズ、ビーム・スプリッタ、レンズ、焦点板３
５を図７に示す関係に配置してあるので、焦点板の上に
できる像はレーザ光線の焦点位置にある物体のみピント
が合った状態になる。接眼鏡３６を通したカンチレバー
拡大像のピントを合わせることによりレーザの焦点をカ
ンチレバー表面に合わせることが出来る。これは、従来
のようにレーザ光線のスポット径を最小にする方法より
も遥かに容易である。また、各光学部品の光軸を精密に
合わせておけばレーザを点灯することなく焦点だけでな
くカンチレバーとレーザ光線の位置合わせも行なうこと
が出来る。エネルギー密度の高いレーザ光線が眼球など
の人体に当たる危険性が無くなり、安全性が向上する。
尚、レーザを点灯して調整を行なう可能性がある場合に
は焦点板を曇りガラスにするなどレーザ光線が直接眼球
に入射しないよう配慮する。また、焦点位置に電荷結合
素子のような撮像素子を置き、画像処理システムと組み
合わせて調整を自動化することも可能である。

【００２３】

【発明の効果】本発明によれば、カンチレバー変位信号
を増幅する手段を備えているので大気中においても発振
周波数変動を少なくできる。大気中において動作可能で
あるので光学系の調整が容易である。また、真空容器・
ポンプが不要であるから装置が安価である。フェイズ・
ロックド・ループを用いたカンチレバー変位信号周波数
検出手段を有するので、カンチレバー変位信号の雑音が
大きくても最終出力の雑音を小さくできる。また、光て
こ光学系と調整用光学系が一体化されているので光てこ
の調整が容易かつ安全に行なうことが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】大気中動作可能な走査型力顕微鏡の一例を示す
ブロック図。

【図２】フェイズ・ロックド・ループのブロック図。

【図３】原子間力の説明のためのグラフ図。

【図４】原子間力によるカンチレバーの共振周波数変化
の一測定例を示すグラフ図。

【図５】図１の走査型力顕微鏡で光磁気ディスク上の記
録マークである磁性膜の微細磁区構造を大気中で観察し
た結果を示す顕微鏡写真。

【図６】真空中で動作する走査型力顕微鏡で光磁気ディ
スク上の記録マークである磁性膜の微細磁区構造を観察
した結果を示す顕微鏡写真。

【図７】光てこ調整用光学系と一体化された半導体レー
ザ・モジュールの一例を示す構成図。

【符号の説明】

１…カンチレバー、２…半導体レーザ・モジュール、３
…光スポット・センサ、４…試料、５…帰還アンプ、６
…圧電振動子、７…ＦＭ検波器、８…サーボ回路、９…
ＸＹＺスキャナ、１０…指示部、１１…ＸＹ走査信号
源、１２…表示装置、２１…位相比較器、２２…ループ
・フィルタ、２３…電圧制御発振器、３１…半導体レー
ザ、３２…コリメータ・レンズ、３３…ビーム・スプリ
ッタ、３４…レンズ、３５…焦点板、３６…接眼鏡。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平４−162341（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 21/00 - 21/32 G01B 7/00 - 7/34

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】a)尖端を有するバネ状のカンチレバーと、 b)前記カンチレバーの尖端を試料表面に沿って走査する
手段と、 c)前記カンチレバーの変位を検出する手段と、 d)前記カンチレバー変位信号を増幅する手段と、 e)前記カンチレバー変位信号を前記カンチレバー変位信
号を増幅する手段で増幅した信号で前記カンチレバーを
励振するための手段と、 f)フェイズ・ロックド・ループを用いた、前記カンチレ
バー変位信号を前記カンチレバー変位信号を増幅する手
段で増幅した信号の周波数を検出する手段と、 g) 前記カンチレバー変位信号を前記カンチレバー変位
信号を増幅する手段で増幅した信号の周波数と目標周波
数との差を検出する手段と、 h)前記カンチレバー・試料表面間距離を調節する手段と
を有することを特徴とする走査型力顕微鏡。
【請求項２】請求項１に記載の走査型力顕微鏡におい
て、前記試料と前記カンチレバー尖端との間に静電バイ
アスをかける手段を有することを特徴とする走査型力顕
微鏡。
【請求項３】請求項１に記載の走査型力顕微鏡におい
て、前記カンチレバーが強磁性体尖端を有することを特
徴とする走査型力顕微鏡。
【請求項４】請求項１に記載の走査型力顕微鏡におい
て、前記カンチレバー変位検出手段に光てこを用い、前
記光てこの光源及び収束光学系と調整機構が一体化され
ていることを特徴とする走査型力顕微鏡。