JP4535488B2 - 走査形プローブ顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は走査形トンネル顕微鏡、原子間力顕微鏡、磁気力顕微鏡、摩擦力顕微鏡、マイクロ粘弾性顕微鏡、表面電位差顕微鏡及びその類似装置の総称である走査形プローブ顕微鏡に関するものである。

最近、探針付きカンチレバーと試料を対向配置し、且つ探針と試料の距離を数ナノメートル以下の距離にして、探針により試料表面を走査することにより、探針と試料間に働く原子間力，或いは磁気力，或いは静電気力等の物理量を測定し、測定に基づいて試料表面の凹凸像を得るように成した走査形プローブ顕微鏡が注目されている。

走査形プローブ顕微鏡の一種である原子間力顕微鏡のコンタクトモードは、試料表面と探針間の原子間斥力を用いて観察・測定を行う。カンチレバーの端に取り付けた探針を試料表面に近づけていくと、試料と探針の間に原子間力が働くことから、この原子間力や探針と試料との距離制御に基づき試料表面の観察を行うものである。ここで、原子間力は、試料と探針が離れている間は引力が働き、近づいてくると斥力が働くので、この原子間力によって片持ちばりが撓む。そこで、レーザを用いた光てこ方式などでこの片持ちばりの撓みを検出して、原子間力が一定となるように圧電素子を用いたチューブスキャナにより探針又は試料をＺ方向に制御して試料表面上を二次元的に走査を行い、試料の凹凸像の観察を行う。

図５は原子間力顕微鏡のコンタクトモードの概略図である。先端に探針８を有するカンチレバー３が試料９に対向して設置されている。探針８と試料９表面間に作用する原子間力（斥力）をカンチレバー３の撓みから検知する構成で、カンチレバー３先端に照射したレーザ光線の反射スポット位置を分割フォトディテクタ７で検出している。この光学検出系は光てこ法を利用したもので、カンチレバー３の微小な変位を分割フォトディテクタ７上に拡大投影して検出している。分割フォトディテクタ７には分割形フォトダイオードを使用し、それぞれの検出信号量の差を図示しない演算回路によって演算することで位置情報を得いる。つまり、カンチレバー３の先端が上下に変位し反射スポットの位置がずれると検出信号量の差の演算結果に変化が生じる。誤差増幅器はこの結果を受けて基準位置からの誤差が最小となる出力をチューブスキャナ２に送る。このフィードバック回路によって、例えばカンチレバー３が上方に変位した場合にはチューブスキャナ２が縮み、カンチレバー３の姿勢が基の位置に戻る。このように走査形プローブ顕微鏡は探針８と試料９間に作用する原子間力を一定に保持するフィードバック制御下で試料９表面上を走査し、この時のチューブスキャナ２を距離換算したデータに基づいて凹凸情報として画像化している。

図５の特徴は、探針側を走査することである。これにより、半導体ウェハのような大型の試料も測定することができる。また、装置の信頼性や安定性を考慮し、レーザ光源４からのレーザ光をトラッキングレンズ５より、探針８が付けられたカンチレバー３の先端部背面にレーザ光線の焦点が合うようにしている。

カンチレバー３を走査した際の光軸の動きを図７に示す。カンチレバー３を走査させると、走査していない位置のカンチレバー３Ｃはカンチレバー３Ｄで示す位置に移動する。カンチレバーの走査とともにトラッキングレンズ５も破線で示した位置から実線で示した位置に移動する。レーザ光源４から照射されたレーザ光はトラッキングレンズ５で屈折し、カンチレバー３Ｄ上に照射される。この時、カンチレバー背面に入射するレーザ光は、移動前よりカンチレバー背面垂直方向に対して鈍角に入射する。そのため、カンチレバー３Ｄからの反射光は更に外側に広がってしまう。そこで、集光レンズ１０を用いて分割フォトディテクタ７に入射されるように集光されている。分割フォトディテクタ７及び集光レンズ１０はベース１に固定されている。

しかし、図８で示すように、試料―カンチレバー先端間に原子間力が働き、カンチレバーが撓んだ（又は捻れた）場合、上述のようにカンチレバーからの反射光を集光レンズ１０を用いて分割フォトディテクタ７上に集光させているため、カンチレバーの変位によってずれた反射光１３等の不要な反射光も分割フォトディテクタ７の中央に集光してしまう。したがって、分割フォトディテクタ７上のレーザスポットの動きが鈍く、感度が大きく低下してしまう。

なお、従来技術としては、カンチレバーの変位の検出感度を向上するカンチレバー変位測定方法がある（例えば、特許文献１）。

特開２０００−２３４９９４

本発明の解決しようとする課題は、カンチレバーの変位の検出感度を向上することである。

請求項１の発明は、ベースに固定された光源と、一端が前記ベースに固定され、ＸＹ方向に変位自在なＸＹチューブスキャナと、一端にカンチレバが取り付けられ、Ｚ方向に変位自在なＺチューブスキャナと、前記ＸＹチューブスキャナの他端と前記Ｚチューブスキャナの他端の間に配置された、第１と第２の光学レンズと、前記ベースに固定されたディテクタとを備え、前記光源から放出された光は第１の光学レンズによって第２の光学レンズの前で焦点を結び、第２の光学レンズに入射した前記光はその第２の光学レンズによって前記カンチレバ上で焦点を結び、前記カンチレバで反射した光は前記ディテクタで検出されることを特徴とする。

請求項４の発明は、カンチレバーと試料との相対的位置を変化させ、光源からの光を光学レンズを通してカンチレバーに照射し、前記カンチレバーで反射した光を検出することにより前記カンチレバーの変位を測定するようにした走査形プローブ顕微鏡におけるカンチレバー変位測定方法において、前記光源からの光を少なくとも２つの光学レンズにより、前記カンチレバーをトラッキングすることを特徴とする。

カンチレバーとレーザ光源の間の光軸上に２枚の凸レンズ（トラッキングレンズ）を配置し、カンチレバーからの反射光が集光レンズを用いずに分割フォトディテクタで検知できるように実現した。

以下、図を参照して本発明の実施形態を説明する。図１は本発明の構成概略図である。圧電素子で構成される円筒形のチューブスキャナ２の一端はベース１上に固定されている。チューブスキャナ２の他端は自由端であり、カンチレバー３が取り付けられている。カンチレバー３自由端には探針８が設置されており、試料９に対面している。チューブスキャナ２の内側には、チューブスキャナ２の長さのほぼ中央部分に光学凸レンズであるトラッキングレンズ５及びトラッキングレンズ６が固定されている。チューブスキャナは圧電素子で円筒型に一体形成されており、トラッキングレンズ固定位置よりベース１側のチューブスキャナ２ＡにはＸＹ方向に変位自在とするための電極が設置されていて、トラッキングレンズ固定位置よりカンチレバー３側のチューブスキャナ２ＢにはＺ方向に変位自在とするための電極が設置されている。つまり、トラッキングレンズ固定位置には電極が設置されていないため、その部分の圧電素子は変位しない。ベース１に固定されたレーザ光源４より放出されたレーザ光は、トラッキングレンズ５及び６を経て、カンチレバー３の背面に照射される。カンチレバー３背面での反射光はベース１上に固定された分割フォトディテクタ７に入射している。

図２は、カンチレバー３に照射されるレーザ光の光学図である。レーザ光源４から放出されたレーザ光１２はトラッキングレンズ５によってトラッキングレンズ６の前で焦点を結ぶ。トラッキングレンズ６に入射したレーザ光はトラッキングレンズ６によってカンチレバー３上で焦点を結ぶようにそれぞれが配置されている。レンズを２個使用することで、走査した時カンチレバーに対してレーザ光２が鋭角に入射する。

以上本発明の構成を説明したが、次に、本発明の動作を説明する。図３はカンチレバー３を走査した場合のレーザ光軸１１の動きを示す図である。カンチレバー３の走査はチューブスキャナ２ＡにＸＹ方向に走査する電圧を印加することにより、チューブスキャナ２Ａが変位して行われる。カンチレバー３を走査させると、走査していない位置のカンチレバー３Ａはカンチレバー３Ｂの位置に移動する。トラッキングレンズ５及び６はチューブスキャナ２に固定されているため、チューブスキャナ２の変位と共にトラッキングレンズ５及び６も破線で示した位置から実線で示した位置に移動する。レーザ光源４から放出されたレーザ光はトラッキングレンズ５、トラッキングレンズ６で屈折し、カンチレバー３Ｂ上に照射される。カンチレバー３Ｂの背面垂直方向に対して、より鋭角に入射するため、反射光も広がらない。このため、集光レンズがなくても、カンチレバー３からの反射光は分割フォトディテクタ７上に集光する。

図４に試料―カンチレバー先端間に原子間力が働き、カンチレバー３が撓んだ（または捻れた）場合の光軸の変化を示す。カンチレバー３の変位によってずれた反射光は中心からずれて分割フォトディテクタ７に入射される。したがって、カンチレバー３の変位によって、分割フォトディテクタ上のレーザスポットが動き、カンチレバー３の変位を感度を落とすことなく検出することができる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、測定方法はコンタクトモードに限らず、ノンコンタクトモードでもよい。また、試料−探針間に働く力は、化学的結合力、電気力、磁気力等の物理量でもよい。さらに、トラッキングレンズは３つ以上設置されてもよい。

本発明による走査形プローブ顕微鏡の概略図である。 図１における光学図である。 本発明による走査形プローブ顕微鏡における、探針走査時の図である。 本発明による走査形プローブ顕微鏡における、探針変位時のレーザスポットの移動を示す図である。 従来技術による走査形プローブ顕微鏡の概略図である。 図５における光学図である。 従来技術による走査形プローブ顕微鏡における、探針走査時の図である。 従来技術による走査形プローブ顕微鏡における、探針変位時のレーザスポットを示す図である。

符号の説明

１ ベース
２ チューブスキャナ
２Ａ チューブスキャナ（ＸＹ変位部）
２Ｂ チューブスキャナ（Ｚ変位部）
３ カンチレバー
３Ａ カンチレバー（走査前）
３Ｂ カンチレバー（走査後）
４ レーザ光源
５ トラッキングレンズ
６ トラッキングレンズ
７ 分割フォトディテクタ
８ 探針
９ 試料
１０ 集光レンズ
１１ レーザ光軸
１２ レーザ光外郭
１３ ずれた反射光
１４ 変位前の反射光

Claims (1)

1. ベースに固定された光源と、
   一端が前記ベースに固定され、ＸＹ方向に変位自在なＸＹチューブスキャナと、
   一端にカンチレバが取り付けられ、Ｚ方向に変位自在なＺチューブスキャナと、
   前記ＸＹチューブスキャナの他端と前記Ｚチューブスキャナの他端の間に配置された、第１と第２の光学レンズと、
   前記ベースに固定されたディテクタとを備え、
   前記光源から放出された光は第１の光学レンズによって第２の光学レンズの前で焦点を結び、第２の光学レンズに入射した前記光はその第２の光学レンズによって前記カンチレバ上で焦点を結び、前記カンチレバで反射した光は前記ディテクタで検出される
   ことを特徴とする走査形プローブ顕微鏡。

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