JP3995819B2

JP3995819B2 - 走査型プローブ顕微鏡

Info

Publication number: JP3995819B2
Application number: JP00960899A
Authority: JP
Inventors: 正敏安武
Original assignee: SII NanoTechnology Inc
Current assignee: Hitachi High Tech Science Corp
Priority date: 1999-01-18
Filing date: 1999-01-18
Publication date: 2007-10-24
Anticipated expiration: 2019-01-18
Also published as: US6593571B1; JP2000206026A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）のZ 粗動の制御、測定試料面の帯電防止に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術としては、走査型プローブ顕微鏡のZ 粗動機構は、縮小てこを用いたり作動ねじをパルスモーターで駆動する機構を用いたりしたメカニカルな機構で構成されていた。またZ 粗動送りの終点検出は前記カンチレバーのたわみ量、あるいは振動振幅の減衰が設定値を超える時点を検出していた。また試料面の帯電防止には、事前に試料面にイオンスプレーを照射して電荷を中和したり、導電性のカンチレバーを用い試料表面の電荷を逃がしていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
走査型プローブ顕微鏡は、探針のついた微細なカンチレバーをピエゾスキャナーを用いメカ的に走査を行い、カンチレバーのたわみ量の情報を画像化している。ここでカンチレバーを試料表面へアプローチする（Z 粗動）際に、カンチレバーが試料表面力あるいは試料面に帯電している静電気力等で引き込まれるスナップイン等で探針先端が壊れやすい。また高速で試料面にカンチレバーを接近させると、試料面との接触による衝撃で鋭い探針先端と場合によってはカンチレバー自身が破損してしまう。すなわち高速でZ 粗動できないという問題点があった。また帯電性の絶縁物試料の場合、測定中も探針の走査による試料と探針の摩擦により試料面に電荷が蓄積し、測定が安定に行えない場合があった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明では、カンチレバー部に複数個の計測用と導電性のZ 距離制御用のカンチレバーを有する構成とした。ここでZ 距離制御用のカンチレバーは、ばね定数が0.01〜0.1N／ｍと柔らかく、また先端半径も100 −200 ｎｍと丸いため、高速に試料面と接触しても破損しない構造とした。またZ 距離制御用のカンチレバーのたわみ信号によりZ 粗動の制御を切り替え、試料面近傍へ計測用カンチレバーがゆっくりと送られる構成とした。
【０００５】
【作用】
前記のZ 距離制御用のカンチレバーは導電性をもたせ、測定用カンチレバーより長くし、図３−図５に示すように同一チップ上に複数個のカンチレバーを作成する。これらのカンチレバーの変位検出は、M ．Tortonese ，R ．C ．Barrett ，C ．F ．Quate Appl ．Phys. Lett. 62(8) 1993，834 の論文にあるようにピエゾレジシティブ抵抗を用いた自己変位型でも良く、あるいは図３、図６に示すような光てこ検出器を用いても良い。
【０００６】
これらのカンチレバーは、当初試料面より数ｍｍの距離が離れている。
今これらのカンチレバー部を高速で試料面に接近させる。初めに長さの長いZ 距離制御用カンチレバーが試料と接触し、たわみを信号を発生する。このたわみ信号によりＺ粗動の送り速度を低速に切り替える。次に計測用のカンチレバーを、試料面近傍に接近させ測定域にはいるまで低速送りを行う。以下発明の実施形態でより詳しく説明する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下図1 に、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図1 は、AFM のスキャナー部分の模式図である。図２はZ 粗動系をより詳細に示したAFM のスキャナーの模式図である
図１、図２を用いて装置の主要部の構成を説明する。Z 粗動系メカニズム[1] にXYZ 微動スキャナー[2] が固定されピエゾ振動板[3] を介してカンチレバー部[ ４] が取り付けられている。カンチレバーは、試料台[ ６] に固定された試料[5] に対向している。図１では、カンチレバー部[ ４] は、図４で示す自己検知のカンチレバーを想定している。図４で示す計測用カンチレバーからの信号は、プレアンプ[ ７] により増幅され、Z サーボ系[ ８] に入力される。その出力信号によりXYZ スキャナー[2] のZ 軸が伸縮し、計測用カンチレバーのたわみ量が一定になるように探針−試料間の距離が制御されている。一方図４で示すZ 距離制御用カンチレバーからの信号は、同様にプレアンプ[ ７] により増幅されZ 粗動コントローラーに[ ９] に入力され、Z 粗動メカニズム[1] の制御信号として使われている。また前記ピエゾ振動板[3] の励振用に発振器[10]とXYZ 微動スキャナー[2] のXY走査用にXY走査用電源[11]が接続されている。
【０００８】
図２に前記図１に示すZ 粗動系の詳細を示す。Z 粗動メカニズムは、主に差動ねじ、縮小てこ等のメカ系で構成されｍｍ程度移動できるZ 粗動メカ機構[1−1]と、積層ピエゾ等で0.1 ｍｍ程度移動できるZ 粗動ピエゾ機構[1−２] により構成され、それぞれZ 粗動メカ機構コントローラー[9−1]とZ 粗動ピエゾコントローラー[9−２] に接続されている。ここで試料面上数ｍｍから0.1 −0.3 ｍｍまでは、Z 粗動メカ機構[1−1]で高速に送り、残り0.1 −0.3 ｍｍ以下をZ 粗動ピエゾ機構[1−２] により低速に送る。
【０００９】
次に図３−図５に示すカンチレバー部の構成を説明する。図３は、カンチレバーの変位検出を外部のたとえば図６に示すような光てこ検出器を使用するカンチレハー部であり、図４は、カンチレバーの変位検出をカンチレバー自身で検知する自己検知のカンチレバーを用いたカンチレバー部である。図５は、３ヶ以上のカンチレバーを持つカンチレバー部の別実施形態である。
【００１０】
以下図3 を中心に説明する。図３(a) は本発明にかかわるカンチレバー部の斜視図である。カンチレバー部は、カンチレバーベース41に、長さの長いZ 距離制御用のカンチレバーc1[ 長さl1：400 〜1000μm]と長さの短い計測用のカンチレバーc2[ 長さl2：100 〜500 μm]が隣あって並ぶ（カンチレバーの中心間距離100 −200 μm 以下）ように構成されている。またZ 距離制御用のカンチレバーは、金等の導電性の金属で針先までコートされ導電性をもたせてある。
【００１１】
今図3(b)に示すようにカンチレバーを横方向から眺めると、Z 距離制御用のカンチレバー[c1]の探針が試料面と接触しているとき、計測用のカンチレバー[c２] の端部は、Z 距離制御用のカンチレバー[c1]の端部より高さｈ＜100 −300 μm ( ｈ＝（l1−l2）sin θ；l1： Z距離制御用のカンチレバーの長さ、l2：計測用のカンチレバー長さ、θ：カンチレバー取り付け角度) だけ試料面より浮いた構成とする。またZ 距離制御用のカンチレバー[c1]の先端半径100 −200 ｎm 程度でばね定数は、0.01〜0.1N／ｍで、それぞれ計測用カンチレバー[c２] の先端半径の5 〜10倍で、ばね定数は1 ／８〜1 ／10程度である。従ってZ 距離制御用のカンチレバーを高速で試料面に接触してもカンチレバーの破損や試料面へのダメージは少ない。
【００１２】
図４は、カンチレバーの外形は図３と同様であるが、変位検出をカンチレバー内に埋め込まれているピエゾ抵抗体によって行う自己検知のカンチレバーを用いた別実施形態である。ピエゾ抵抗体に一定の電流を流し、カンチレバーの変位による歪みをピエゾ抵抗の変化として捕らえ、ブリッジ回路により電流変化として検出している。図4 でR は抵抗、Vcc はバイアス電圧、OPはオペアンプを表す。c1, c2はそれぞれZ 距離制御用のカンチレバー、計測用のカンチレバーである。
【００１３】
図５は、カンチレバーの交換回数を減らす目的で、両端にZ 距離制御用のカンチレバー[c1] [c1']を配し真中に複数個の計測用のカンチレバー[c２] を配したカンチレバー部の別実施形態である。変位の検出は、図４で説明した自己検知のカンチレバーを使用する。両端にZ 距離制御用のカンチレバー[c1] [c1']を配した理由は、カンチレバー部のベースが横長になり取り付け方によりカンチレバー部のベースが試料面に対して傾くためである。この場合どちらか試料面に近い方のZ 距離制御用のカンチレバー[c1]の信号を使って制御すれば良い。またカンチレバーの1 本1 本の上下用にカンチレバーの基部に酸化亜鉛等のカンチレバー上下用ピエゾ50を蒸着し、ピエゾの伸び縮みによりカンチレバーを上下させ、測定に使用するカンチレバーを切り替える機構を付可しても良い。
【００１４】
次に図３と図６を使ってＺ粗動の動作を説明する。最初カンチレバー部は、試料表面から数ｍｍ離れている。今図6(a)に示す光てこ検出系のレーザービーム60は、計測用のカンチレバー[c２] の先端とZ 距離制御用のカンチレバー[c1]の中間位置付近を照射している。その照射エリアをa で示す。２つのカンチレバーからの反射光は４分割の光検出器[13]に集光され、光検出器[13]にて電気信号に変換された後オペアンプOPにて増幅される。今図6(b)に示すように４分割光検出器[13]のすべてのセグメントの和信号をADD 信号とし、上下方向の２つのセグメントの差をDIF 信号と名づける。Z 粗動系メカニズム[1] を高速で移動させ図3(b)のようにZ 距離制御用のカンチレバー[c1]が試料面と接触するとき[ 図6(b)：t0] Z 距離制御用のカンチレバーは試料面から力を受けDIF 信号が変化する。この信号をZ 粗動コントローラー[9] に入力し、Z 粗動系メカニズム[1] を低速送りに切り替える。また図２に示すように、高速送りはZ 粗動メカ機構[1−1]に、低速送りは積層ピエゾ等で構成されたZ 粗動ピエゾ機構[1−２] により行うようにこの信号を使って制御を切り替えても良い。今[ 図6(b)：t0] の時点で計測用のカンチレバー[c２] は、およそh だけ試料面より浮いている。次に低速でおよそｈ＜100 −300 μm だけ押し込み、計測用のカンチレバー[c２] の針先を試料面近傍に移動させる[ 図6(b)：t １] 。この時より以前にZ 距離制御用のカンチレバー[c1]からの反射光は、４分割の光検出器[13]より完全に外れADD 信号が半減する。この後４分割の光検出器[13]の信号は、計測用のカンチレバー[c２] の信号のみを反映する。ここでは１つの光てこで２つのカンチレバーの変位信号を採取る方法を記したが、装置構成は煩雑になるが、それぞれのカンチレバー用に２つの光てこを使用しても良い。
【００１５】
また図４に示した自己検知カンチレバー部を使用する場合は、それぞれZ 距離制御用のカンチレバー[c1]からの信号[sig2]をプレアンプ[ ７] を介しZ 粗動コントローラー[9] へ、計測用のカンチレバー[c２] からの信号[sig１] をプレアンプ[ ７] を介しZ サーボ系[ ８] に入力すれば図３、図６の光てこと同様に動作する。
【００１６】
また図５示した複数個の自己検知カンチレバー有するカンチレバー部を使用する場合は、それぞれ両端のZ 距離制御用のカンチレバー[c1]と[c1'] のOR信号を取ると、カンチレバーベースが傾いて取り付いていても、どちらか試料面に近い方のZ 距離制御用カンチレバー信号をZ 粗動コントローラー[9] の信号として使用できる。また計測用のカンチレバー[c２] からの信号をプレアンプ[ ７] を介しZ サーボ系[ ８] に入力すれば図３、図６の光てこと同様に動作する。
【００１７】
最後に帯電防止と静電気および表面力によるカンチレバーの急な引っ張り込み（スナップイン）防止について説明する。帯電している半絶縁性試料からの電荷は、導電性のZ 距離制御用のカンチレバーを通じてアースへと導かれる。また絶縁性の高い試料の場合は、導電性のZ 距離制御用のカンチレバーで測定域を事前にラスター走査して測定面の表面電荷をアースに流しても良い。また図７に示すようにカンチレバーc1及びそれに連なるカンチレバーベースから構成されるZ 距離制御用のカンチレバー部を導電性とすると共に、このZ 距離制御用のカンチレバー部と、カンチレバーc2及びそれに連なるカンチレバーベースから構成される計測用カンチレバーとを絶縁体70にて電気的に分離し、Z 距離制御用のカンチレバー部に外部電源（記してない）をつなぎ試料面の電位をある電位に固定しても良い。
【００１８】
試料表面力によるスナップイン防止は、Z 距離制御用のカンチレバーが試料面に接触した後、ピエゾ振動板[3] を発振器[10]により測定用のカンチレバー[c２] の共振周波数、あるいは図２に示す積層ピエゾを使用する場合は任意の周波数で、振幅１0 −200 ｎm 程度振動させながら測定用のカンチレバー[c２] を試料面に接近させる。カンチレバーに与えられた振動エネルギーとZ 距離制御用のカンチレバーを通して試料面に与えられた振動エネルギーにより試料表面力によるカンチレバーの急な引っ張り込み（スナップイン）は低減される。
【００１９】
【発明の効果】
この発明は、以上説明したように試料面高さ数ｍｍから数μｍまで高速にカンチレバーを試料面に接近でき、Z 粗動に要する時間が短縮された。
さらに計測用カンチレバーの近傍に導電性のZ 距離制御用カンチレバー（電極）を有したため試料面の帯電を防止でき、また試料面の電位は一定に保たれ、静電気力によるスナップイン等の防止が可能になった。またカンチレバー部と試料面両方を振動させながらＺ粗動することにより試料表面力によるスナップインも低減された。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のシステム模式図である。
【図２】本発明のシステムの別実施形態の模式図である。
【図３】 (a) は本発明のカンチレバー部の斜視図、(b) は図３(a) においてAA' 方向より眺めた時の図である。
【図４】本発明のカンチレバー部の別実施形態の模式図である。
【図５】本発明のカンチレバー部の別実施形態の模式図である。
【図６】 (a) は光てこを用いた検出系の摸式図、(b) は光てこを用いた検出系の動作図である。
【図７】本発明のカンチレバー部の別実施形態の模式図である。
【符号の説明】
１ Z 粗動メカニズム
２ XYZ 微動スキャナー
３ピエゾ振動板
４カンチレバー部
５試料
６サンプル台
７プレアンプ
８ Z サーボ系
９ Z 粗動コントローラー
１０発振器
１１ XY走査用電源

Claims

微細な探針のついたカンチレバーで試料表面近傍を走査し、カンチレバーのたわみ信号より試料表面の形状や物性情報を得る走査型プローブ顕微鏡において、
長さの異なる複数のカンチレバーを隣り合わせてカンチレバーベースに備え、
長い方のカンチレバーはＺ距離制御用、短い方のカンチレバーは計測用であり、
前記長い方のカンチレバーの探針の先端は、前記短い方のカンチレバーの探針の先端より試料面に近くなるように配し、
さらに、前記カンチレバーベースの両端に前記長い方のカンチレバーを配したことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
前記両端の長い方のカンチレバーの間に複数の前記短い方のカンチレバーを配したことを特徴とする請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡。
微細な探針のついたカンチレバーで試料表面近傍を走査し、カンチレバーのたわみ信号より試料表面の形状や物性情報を得る走査型プローブ顕微鏡において、
長さの異なる複数のカンチレバーを隣り合わせてカンチレバーベースに備え、
長い方のカンチレバーはＺ距離制御用、短い方のカンチレバーは計測用であり、
前記長い方のカンチレバーの探針の先端は、前記短い方のカンチレバーの探針の先端より試料面に近くなるように配し、
さらに、レーザービームと光検出器とからなる光てこ検出系を備え、
前記隣り合わせて配置された複数のカンチレバーを１つの前記光てこ検出系で検出し、該複数のカンチレバーを個別に制御することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
微細な探針のついたカンチレバーで試料表面近傍を走査し、カンチレバーのたわみ信号より試料表面の形状や物性情報を得る走査型プローブ顕微鏡において、
長さの異なる複数のカンチレバーを隣り合わせてカンチレバーベースに備え、
長い方のカンチレバーはＺ距離制御用、短い方のカンチレバーは計測用であり、
前記長い方のカンチレバーの探針の先端は、前記短い方のカンチレバーの探針の先端より試料面に近くなるように配し、
さらに、前記長い方のカンチレバーと前記短い方のカンチレバーに対して試料面を接近させて前記長い方のカンチレバーが試料面に接触したときに、前記長い方のカンチレバーと前記短い方のカンチレバーのうち少なくとも前記長い方のカンチレバーを振動させることにより試料面を振動させながら、前記短い方のカンチレバーを試料面にさらに近づけることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
前記長い方のカンチレバーのばね定数が０．０１〜０．１Ｎ／ｍであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
前記長い方のカンチレバーについている探針の先端半径が１００〜２００ｎｍであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
前記長い方のカンチレバーが導電性を有していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡。
前記長い方のカンチレバーと前記短い方のカンチレバーに対して試料面を移動させるためのＺ粗動系メカニズムを備え、
該Ｚ粗動系メカニズムで前記長い方のカンチレバーと前記短い方のカンチレバーに対して試料面をある設定した速度で接近させる際に、前記長い方のカンチレバーが試料面に接触したときにＺ粗動系メカニズムにより前記速度より低速に切り替えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の走査型プローブ顕微鏡。