JP3174465B2 - 原子間力顕微鏡 - Google Patents

原子間力顕微鏡

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    • Y10S977/868Scanning probe structure with optical means
    • Y10S977/87Optical lever arm for reflecting light

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、片持ち梁の自由端部に
針が取り付けられてなる探針の先端と、試料表面との間
に作用する原子間力により生ずる探針の変位を光学的に
検出する原子間力顕微鏡に関し、特に大型、大面積の試
料に対応するに適した原子間力顕微鏡に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】試料表面の凹凸をナノメートル以下の精
度で測定する原子間力顕微鏡は、近年、光ディスク、磁
気記録、半導体などの高密度化、高集積化に伴い、急速
に応用範囲が拡大している。原子間力顕微鏡には、光て
こ方式、光干渉方式、臨界角方式等の様々な方式のもの
がある。以下においては極めて簡単な構成で実現できる
光てこ方式の原子間力顕微鏡について、図5を用いて説
明する。
【0003】図5において、試料41はX、Y、Z方向
に移動可能なスキャナー44上に固定されている。探針
ホルダー43に一端が支持された探針42は、試料41
上に位置している。
【0004】光源45は、探針42の試料41に対して
の反対側の反射面に光ビーム46をレンズ47を通して
照射する。光検出器48は、探針42上の前記反射面か
ら反4してきた光ビーム46を捕捉する位置に支持され
る。レンズ47は、光源45と、探針42を結ぶ軸上に
位置し、光源45が照射した光ビーム46を、光検出器
48上、あるいはその近傍の一点に集光する。
【0005】探針42を試料41の表面に十分接近させ
ると、探針42と試料41表面に作用する原子間力によ
り探針42にたわみが生じる。これにより、探針42の
反射面で反射される光ビーム46の反射角度が微小量変
化する。この探針42のZ方向の変位△Zは、探針42
の反射面で反射した光ビームを捕捉している光検出器4
8上において拡大されて検出される。このZ方向の変位
を検出しつつ、試料41が固定されているスキャナー4
4を、図6に示すように、X、Y方向にラスター状に走
査し、かつZ方向にも振動させることにより、試料41
の表面形状を測定する。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図5に
示した従来例においては、試料41をラスター状に走査
する際に試料を固定したスキャナー44をX、Y、Z方
向に移動させるため、大面積・大型の試料の表面を観察
する場合に、試料自身の重量により大きな慣性力が生ず
る。このため、試料41を固定したスキャナー44の制
御が困難となる。
【0007】また、原子間力顕微鏡は数十μm角以下の
微細領域をナノメートル以下の精度で測定するには適し
ているが、もっと大きな範囲を観察することは原子間力
顕微鏡自身の倍率が高すぎて難しい。例えば、光学顕微
鏡で観察可能な試料表面の欠陥等のピットを測定する際
に、実際に観察したい場所と実際に観察している場所と
のズレの補正の問題がある。
【0008】最近では直径30cmの光ディスクのピッ
ト形状や、シリンダー付きビデオヘッドの磁気ヘッドの
ギャップ長評価や、電子部品の評価に原子間力顕微鏡が
用いられている。これらの測定においては、製造ライン
での抜取り検査の為に、試料を非破壊で測定したいとい
う現場の要望が増大しているが、これまでの原子間力顕
微鏡では、試料自身を1cm角程度に切削しないと難し
かった。本発明は前記のような従来の問題点を解決する
ためのもので、大面積・大型サンプルを切削の必要なし
にそのままの大きさで測定可能な原子間力顕微鏡を提供
することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】本願の第1発明は、検出
光放射系より放射された略平行な変位検出光を、ミラー
によって略直角方向に方向を変えて共焦点レンズに導
き、この共焦点レンズによって変位検出光を探針の反射
面近傍に集光させ、試料表面との間に働く原子間力によ
り変位する探針の前記反射面より反射する前記変位に応
じて反射角が異なる反射光を前記共焦点レンズに導き、
次いで前記ミラーによって略直角方向に方向を変えて変
位検出系に導き、ここで探針の変位を拡大して検出する
原子間力顕微鏡において、前記共焦点レンズ及び探針を
備えたZ方向走査ブロックと、Z方向走査ブロックを試
料表面に対し垂直方向に移動させるZ方向スキャナー
と、前記Z方向走査ブロック、前記Z方向スキャナー及
び前記ミラーを備えたX方向走査ブロックと、X方向走
査ブロックを試料表面に対し平行な面内の第1の軸方向
に移動させるX方向スキャナーと、前記X方向走査ブロ
ック、前記X方向スキャナー、前記検出光放射系及び前
記変位検出系を備えたY方向走査ブロックと、Y方向走
査ブロックを試料表面に対し平行な面内の第1の軸方向
に直交する第2の軸方向に移動させるY方向スキャナー
とを備えることを特徴とする。
【0010】本願の第2発明は、前記共焦点レンズ及び
探針を備えたZ方向走査ブロックと、Z方向走査ブロッ
クを試料表面に対し垂直方向に移動させるZ方向スキャ
ナーと、前記Z方向走査ブロック、前記Z方向スキャナ
ー、前記ミラー、前記検出光放射系及び前記変位検出系
を備えたX−Y方向走査ブロックと、X−Y方向走査ブ
ロックを試料表面に対し平行な面内に移動させるX−Y
方向スキャナーとを備えることを特徴とする。
【0011】本願の第3発明は、第1発明または第2発
明において、ミラーが変位検出光のみを反射し、それ以
外の波長の光を透過するものであり、前記ミラーを透過
する光によって探針及びその近傍の試料表面の画像を取
り込み、これを表示する画像表示手段を備えることを特
徴とする。
【0012】後述する実施例において、半導体レーザー
光源101、コリメーターレンズ102、偏向ビームス
プリッター104及び1/4波長板105が上記検出光
放射系に相当し、ダイクロイックミラー106が上記ミ
ラーに相当し、1/4波長板105、偏向ビームスプリ
ッター104、ミラー111及び2分割フォトダイオー
ド112が上記変位検出系に相当する。又後述する実施
例において、CDDカメラ113が上記画像表示手段に
相当する。
【0013】
【作用】本願の第1発明及び第2発明によれば、Z方向
走査ブロックを非常に、軽量なものとすることができ、
数KHzの応答周波数が必要とされるZ方向スキャナー
による走査を円滑に行うことができる。一方、X方向走
査ブロック及びY方向走査ブロック、或いはX−Y方向
走査ブロックは重量を有するものとなるが、これらに対
しては応答周波数が数Hzから1/数百Hzと小さいた
め、X方向スキャナー及びY方向スキャナー、或いはX
−Y方向スキャナーによる走査に支障が生じない。そし
て、Z方向走査ブロックは、X方向走査ブロック或いは
X−Y方向走査ブロックに対して、Z方向に移動する
が、Z方向走査ブロックの共焦点レンズと、X方向走査
ブロック或いはX−Y方向走査ブロックのミラーとのX
方向の位置は常に同一に保たれ、ミラーから共焦点レン
ズに入射する変位検出光が平行光であるので、探針の変
位量の測定に誤差は生じない。従って試料側を固定し
て、探針側の走査による円滑かつ正確な測定が可能とな
る。
【0014】本願の第3発明によれば、上記第1発明又
は第2発明の作用に加えて、探針直下の像を同時に、広
範囲にとらえることができる。
【0015】
【実施例】
(実施例1)以下本発明の実施例1について、図面を参
照しながら説明する。図1は、本実施例の原子間力顕微
鏡の基本構成を示している。
【0016】探針110は、片持ち梁109とその自由
端部下面に取付けた針100とを備え、片持ち梁109
の自由端部上面に反射面を有すると共に、片持ち梁10
9の基端においてホルダー108に支持されている。半
導体レーザー光源101は、レーザー光(変位検出光)
103を下方または上方(図1は上方の場合を、図2は
下方の場合を示す。)のコリメーターレンズ102に向
けて射出する。コリメーターレンズ102は、前記レー
ザー光103を平行光にする。偏向ビームスプリッター
104は、レーザー光源101から射出されたレーザー
光103を直角方向に反射し、このレーザー光103を
1/4波長板105、ダイクロイックミラー106に導
く。ダイクロイックミラー106はレーザー光103を
直角方向に反射し、その下方の共焦点レンズ107を介
して前記片持ち梁109の自由端部の反射面に導く。こ
こで反射されたレーザー光103は、共焦点レンズ10
7、ダイクロイックミラー106、1/4波長板105
を介して前記偏向ビームスプリッター104に戻るが、
この偏向ビームスプリッター104は反射レーザー光1
03を透過し、ミラー111に導く。この反射レーザー
光103はミラー111によって直角に反射され、下方
に位置する2分割フォトダイオード112に導かれる。
【0017】前記ダイクロイックミラー106は、特定
波長を有して前記レーザー光103のみを反射し、前記
レーザー光103を共焦点レンズ107を介して、前記
片持ち梁109の自由端部の反射面に導くと共に、特定
波長を有した前記レーザー光103以外の波長の光を透
過する。前記共焦点レンズ107は、光路上の行き交う
二方向にそれぞれ焦点距離fを有したレンズであり、ダ
イクロイックミラー106から導かれたレーザー光10
3を、探針ホルダー108に支持された片持ち梁109
の自由端部反射面の近傍に集光させ、更に前記自由端部
反射面からの反射レーザー光103をダイクロイックミ
ラー106、1/4波長板105、偏向ビームスプリッ
ター104、ミラー111を介して、2分割フォトダイ
オード112上に集光させる。片持ち梁109の自由端
部反射面と共焦点レンズ107の下端部との間を、共焦
点レンズ107の有する焦点距離fから△fだけ遠ざけ
て、ダイクロイックミラー106から共焦点レンズ10
7を介して入射してきたレーザー光103を、前記片持
ち梁109の自由端部の反射面から△fだけデフォーカ
スさせることにより、片持ち梁109の前記自由端部反
射面からの反射レーザー光103を2分割フォトダイオ
ード112上に集光させることができる。
【0018】ダイクロイックミラー106の上方に配さ
れたCCDカメラ113は、片持ち梁109の自由端部
反射面及び試料表面等から反射されてきた試料観察用の
照明光114を、ダイクロイックミラー106、共焦点
レンズ107を介して捕捉し、探針110の針100及
びその近傍の画像情報を得る。
【0019】次に、変位検出原理について図1を用いて
説明する。図1に示したように、共焦点レンズ107の
焦点距離をfとし、片持ち梁109の固定端部から針1
00までの距離をL、試料表面と針100との間に生ず
る原子間力による片持ち梁109のZ方向の変位を△
Z、2分割フォトダイオード112上のレーザー光10
3のX方向の変位を△Xとすると、△X=(3f/L)
/△Zとなる。ここで、f=8mm、L=0.1mmと
すると、△X=240・△Zとなり、2分割フォトダイ
オード112上においては、片持ち梁109のZ方向の
変位△Zは、240倍に拡大されて検出される。ここ
で、2分割フォトダイオード112の検出感度が0.0
25μmとすると、Z方向の分解能は約0.1nmとな
る。
【0020】以上述べたように本構成においては、2分
割フォトダイオード112上で変位検出光であるレーザ
ー光103を集束させるため、2分割フォトダイオード
112上でのレーザー光103のスポット径が小さくな
る。このため、2分割フォトダイオード112の片持ち
梁109の変位量△Zに対する検出感度を向上させるこ
とができ、測定ヘッドを試料表面に走査させた場合で
も、オングストローム以下の分解能を実現することが可
能となる。
【0021】次に、本実施例の走査系の説明を図2を用
いて行う。通常、原子間力顕微鏡の走査は図6に示した
ように、探針110を試料41表面に追随させながらX
方向に1ライン走査し、ライン52、53、54…と画
像情報を取り込みながら順次X方向に直角な方向である
Y方向に移動させて、試料41表面の形状情報を得る。
この図6に図示した走査の場合、試料表面を追随するた
めにZ方向には数KHzの応答周波数が必要とされる。
また、上記で説明したラスター走査のためにX方向には
数Hz程度、Y方向には1/数百Hz程度の応答周波数
が必要とされる。
【0022】測定ヘッド33を示した図2において、2
6で示すZ方向スキャナーは、共焦点レンズ107、探
針ホルダー108及び探針110から構成されるZ方向
走査ブロック23を、試料41表面に垂直な方向である
Z方向に移動させるものである。前記Z方向走査ブロッ
ク23は、その構成要素が共焦点レンズ107、探針1
10等で構成されるため、非常に軽量にすることがで
き、Z方向に高速に応答させることが可能である。図2
に24で示すX方向スキャナーは、前記Z方向走査ブロ
ック23、Z方向スキャナー26に加えて、ダイクロイ
ックミラー106およびあおり調整機構27から構成さ
れるX方向走査ブロック21をX方向に移動させるもの
である。X方向スキャナー24により移動させるX方向
走査ブロック21は、X方向に必要とされる応答周波数
が数Hz程度と小さいため、Z方向走査ブロック26よ
り相当重くなっても、X方向に十分制御可能である。ま
た共焦点レンズ107に入射してきたレーザー光103
は平行光のため、Z方向走査ブロック23をX方向走査
ブロック21内でZ方向に移動させても、両者は常に同
一のX方向位置をとるので、探針110の変位量△Zの
測定に誤差は生じない。図2に25で示すY方向スキャ
ナーは、前記X方向走査ブロック21及びX方向スキャ
ナー24に加えて、半導体レーザー光源101、コリメ
ーターレンズ102、偏向ビームスプリッター104、
1/4波長板105、ミラー111、あおり調整機構2
8及び2分割フォトダイオード112から構成されるY
方向走査ブロック22をY方向に移動させるものであ
る。Y方向スキャナー25により移動させるY方向走査
ブロック22は、Y方向に必要とされる応答周波数が1
/数百Hzと非常に小さいため、かなり大型のブロック
(数百グラム)であってもY方向に十分制御可能であ
る。
【0023】なお、前記ダイクロイックミラー106に
あおり調整機構27を備えることで、レーザー光103
を片持ち梁109の自由端部反射面で集束させる位置を
調整することが可能である。同様に、ミラー111にあ
おり調整機構28を備えることで、レーザー光103を
2分割フォトダイオード112で集束させる位置を調整
することが可能である。
【0024】前記Z方向スキャナー26は圧電体等で実
現することができる。X方向スキャナー24及びY方向
スキャナー25も同様に圧電体等で構成できるが、ラス
ター走査時に測定ヘッド自身の自重により生じる蛇行現
象に対応させるため、平行板ばねと圧電体を組み合わせ
た構成とし、安定した試料表面の走査を実現させること
が望ましい。
【0025】図3は、上述した原子間力顕微鏡の測定ヘ
ッド33を、本体37に支持された回転レボルバー36
に取り付けた状態を示した図である。このように構成す
ることで測定ヘッド33は、回転レボルバー36に取り
付けるほど十分小型にすることができる。回転レボルバ
ー36には、対物レンズ取り付け口35をいくつか備え
ており、この対物レンズ取り付け口35に倍率の異なる
対物レンズ34を取り付け、試料41表面を光学的に観
察することが可能である。本装置を用いた測定において
は、回転レボルバー36を回転させて、測定ヘッド33
を図3に示した位置に固定する。粗動テーブル38は、
その上に試料41を載せて、上下方向に移動する。測定
ヘッド33に取り付けられた探針110に試料41を十
分近くにアプローチし、試料41表面を測定し、前記2
分割フォトダイオード112、X方向スキャナー24及
びY方向スキャナー25からの信号に基いて画像を作成
する。
【0026】(実施例2)以下本発明の実施例2につい
て、図4を参照しながら説明する。図4において、図2
と同一の符号を付けた構成要素は、実施例1で説明した
ものと同じ構成要素である。また変位検出原理は実施例
1と同一のため、以下において説明は省略する。
【0027】図4においてZ方向スキャナー26は、共
焦点レンズ107、探針ホルダー108及び探針110
ら構成されるZ方向走査ブロック23をZ方向に移動さ
せる。前記Z方向走査ブロック23は非常に軽量のた
め、Z方向に高速に応答可能であるのは実施例1と同様
である。X方向及びY方向については、前記のZ方向走
査ブロック23、Z方向スキャナー26に加えてダイク
ロイックミラー106、そのあおり調整機構27、半導
体レーザー光源101、コリメーターレンズ102、偏
向ビームスプリッター104、1/4波長板105、ミ
ラー111、そのあおり調整機構28、2分割フォトダ
イオード112から構成されるX−Y方向走査ブロック
30をX−Y方向スキャナー29により試料41表面と
平行な面を走査させる。実施例1のように、X方向に移
動する走査機構と、Y方向に移動する走査機構がそれぞ
れ独立に存在する走査機構を有した構成の場合、測定時
に相互の走査の干渉による非線形歪が生じることがある
が、本実施例に示すようにX、Y方向を一体に移動させ
ることにより前述の干渉を防止できる。X−Y方向スキ
ャナー29により移動させるX−Y方向走査ブロック3
0は、X−Y方向に必要とされる応答周波数が数Hzか
ら1/数百Hzと小さいため、かなり大型のブロック
(数百グラム以内)であってもX−Y方向の走査の制御
は可能である。
【0028】また、Z方向スキャナー26を、圧電体等
で実現できるのは実施例1と同様である。X−Y方向ス
キャナー29も同様に圧電体等で構成できるが、実施例
1と同様に平行板ばねと圧電体を組み合わせる構成によ
り安定な走査を実現できる。
【0029】本実施例においても、実施例1と同様、C
CDカメラ113をダイクロイックミラー106の上方
に配し、探針110の針100及びその近傍の画像情報
を得られるように構成すると好適である。
【0030】
【発明の効果】本願の第1発明及び第2発明の原子間力
顕微鏡によれば、試料を固定した状態で、探針側を走査
して、円滑かつ正確に測定を行うことができ、従来では
不可能であった大型・大面積の試料を非破壊状態で測定
することができる。
【0031】又本願の第3発明によれば、上記効果に加
えて、探針直下の像を同時に、広範囲にとらえることが
でき、測定したい場所へのアプローチが容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1における原子間力顕微鏡の構
成を示した原理図である。
【図2】原子間力顕微鏡の測定ヘッドの構成を示した原
理図である。
【図3】光学顕微鏡ヘッドに、測定ヘッドを取り付けた
斜視図である。
【図4】本発明の実施例2における原子間力顕微鏡の測
定ヘッドの構成を示した原理図である。
【図5】従来の原子間力顕微鏡の構成を示した原理図で
ある。
【図6】原子間力顕微鏡における試料表面の走査方法を
示した斜視図である。
【符号の説明】
21 X方向走査ブロック 22 Y方向走査ブロック 23 Z方向走査ブロック 24 X方向スキャナー 25 Y方向スキャナー 26 Z方向スキャナー 29 X−Y方向スキャナー 30 X−Y方向走査ブロック 41 試料 103 変位検出光 106 ミラー 107 共焦点レンズ 110 探針 113 画像表示手段 101、102、104、105 検出光放射系 105、104、111、112 変位検出系
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉住 恵一 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平6−26853(JP,A) 特開 平5−231863(JP,A) 特開 平3−255907(JP,A) 特開 平5−187863(JP,A) 特開 平3−71001(JP,A) 特開 平7−198730(JP,A) 特表 平10−506457(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 13/10 - 13/24 G01B 21/30 G01B 11/30 G01B 7/34 G01R 33/12 H01J 37/28 JICSTファイル(JOIS)

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 検出光放射系より放射された略平行な変
    位検出光を、ミラーによって略直角方向に方向を変えて
    共焦点レンズに導き、この共焦点レンズによって変位検
    出光を探針の反射面近傍に集光させ、試料表面との間に
    働く原子間力により変位する探針の前記反射面より反射
    する前記変位に応じて反射角が異なる反射光を前記共焦
    点レンズに導き、次いで前記ミラーによって略直角方向
    に方向を変えて変位検出系に導き、ここで探針の変位を
    拡大して検出する原子間力顕微鏡において、 前記共焦点レンズ及び探針を備えたZ方向走査ブロック
    と、 Z方向走査ブロックを試料表面に対し垂直方向に移動さ
    せるZ方向スキャナーと、 前記Z方向走査ブロック、前記Z方向スキャナー及び前
    記ミラーを備えたX方向走査ブロックと、 X方向走査ブロックを試料表面に対し平行な面内の第1
    の軸方向に移動させるX方向スキャナーと、 前記X方向走査ブロック、前記X方向スキャナー、前記
    検出光放射系及び前記変位検出系を備えたY方向走査ブ
    ロックと、 Y方向走査ブロックを試料表面に対し平行な面内の第1
    の軸方向に直交する第2の軸方向に移動させるY方向ス
    キャナーとを備えることを特徴とする原子間力顕微鏡。
  2. 【請求項2】 検出光放射系より放射された略平行な変
    位検出光を、ミラーによって略直角方向に方向を変えて
    共焦点レンズに導き、この共焦点レンズによって変位検
    出光を探針の反射面近傍に集光させ、試料表面との間に
    働く原子間力により変位する探針の前記反射面より反射
    する前記変位に応じて反射角が異なる反射光を前記共焦
    点レンズに導き、次いで前記ミラーによって略直角方向
    に方向を変えて変位検出系に導き、ここで探針の変位を
    拡大して検出する原子間力顕微鏡において、 前記共焦点レンズ及び探針を備えたZ方向走査ブロック
    と、 Z方向走査ブロックを試料表面に対し垂直方向に移動さ
    せるZ方向スキャナーと、 前記Z方向走査ブロック、前記Z方向スキャナー、前記
    ミラー、前記検出光放射系及び前記変位検出系を備えた
    X−Y方向走査ブロックと、 X−Y方向走査ブロックを試料表面に対し平行な面内に
    移動させるX−Y方向スキャナーとを備えることを特徴
    とする原子間力顕微鏡。
  3. 【請求項3】 ミラーが変位検出光のみを反射し、それ
    以外の波長の光を透過するものであり、前記ミラーを透
    過する光によって探針及びその近傍の試料表面の画像を
    取り込みこれを表示する画像表示手段を備えることを特
    徴とする請求項1又は2記載の原子間力顕微鏡。
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