JP5100248B2 - 原子間力顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、原子間力を利用した走査型のプローブ顕微鏡である原子間力顕微鏡に関するものである。

原子間力顕微鏡は、微細な探針を備えた片持ち梁（カンチレバー）を被検物表面に沿って走査させ、探針と被検物との間に作用する原子間力によるカンチレバーの変位量を検出することで被検物表面の微細構造を計測することができる装置である。その原理は、特許文献１に開示されている。特許文献１ではトンネル電流を検知することでカンチレバーの変位量を検出しているが、光テコ法や光干渉法を利用した方法も提案されている。

しかしながら、一般的な原子間力顕微鏡では、カンチレバー変位を測定する際、被検物の変位情報を取得していない。特許文献１に開示されている原子間力顕微鏡も同様であり、振動や温度変化等の外乱によりカンチレバーと被検物との相対位置が変動した場合、その変動量が計測結果に重畳されてしまう問題があった。例えば、カンチレバーを共振周波数付近で振動させながら計測を行なうＡＣモードでは、探針と被検物間の距離によって変化する原子間力を振幅変化により検出する。このとき探針と被検物間の距離は被検物の表面形状により変化することを仮定しているが、カンチレバーと被検物との相対位置変動が発生すれば、仮定が成り立たず誤差が発生することになる。

カンチレバーと被検物との相対位置変動の影響を軽減可能な原子間力顕微鏡としては、特許文献２が提案されている。特許文献２では、二重焦点レンズを含む光学系を利用した光ヘテロダイン法によりカンチレバーの変位量を検出しており、その構成は図５に示す通りである。

この装置では、偏波面が直交し、周波数がわずかに異なる２種類の直線偏光を含むレーザー光を出力可能なレーザー光源装置１１０を使用している。レーザー光源装置１１０から出力された２種類の直線偏光は二重焦点レンズ１２２に入射し、一方の直線偏光は平行光となり、被検物１３０の比較的広い範囲に照射される。他方の直線偏光は集束光となってカンチレバー１２６の背面へと集光される。カンチレバー背面からの反射光と被検物表面からの反射光は、計測用光センサ１３６へと入射する。ここで、カンチレバー背面からの反射光は、原子間力によるカンチレバー１２６の変位量に伴って光路長が変化するため、周波数変化を受ける。従って、計測用光センサ１３６で検出された光干渉のビート信号からカンチレバー１２６の変位量を算出することができる。

特許文献２にＡＣモードによる計測を適用した場合、被検物表面を基準としてカンチレバー変位の極大値と極小値を計測し振幅を求めることになる。従ってカンチレバーと被検物との相対位置変動が発生した場合でも、カンチレバー変位の極大値と極小値が相対位置変動分だけ等しく変化し、振幅計測結果に影響を与えない。このため、カンチレバーと被検物との相対位置変動の影響を軽減することが可能となる。

特開昭６２−１３０３０２号公報 特許第２９９８３３３号公報

しかしながら、特許文献２で開示されている原子間力顕微鏡の場合、カンチレバーと被検物との相対位置変動の影響を軽減することはできるが、以下の３つの要因によりカンチレバー変位の計測精度が劣化する問題があった。

計測精度が劣化する第1の要因は、レーザー光源装置から出力された２種類の直線偏光が、カンチレバー背面及び被検物表面で反射し二重焦点レンズに再入射するまでの間、異なる光路を通る点である。光路が異なれば、温度や気圧等の変動に伴う大気屈折率変動によって２種類の直線偏光の光路長差が変動し、カンチレバー変位の計測誤差となる。

計測精度が劣化する第２の要因は、二重焦点レンズに入射した後平行光となり被検物に照射される光のうち、一部はカンチレバー背面上で反射して計測用光センサに入射し、計測ノイズとなる点である。この点に関して特許文献２では、カンチレバーを光軸に対してある程度傾けることにより、カンチレバー背面上で反射した不要光が計測用光センサに到達しないように構成するとしている。しかしながら、平行光として入射しカンチレバー背面で反射した光が計測用光センサに到達しないならば、カンチレバー変位の計測光としてカンチレバー背面に集束する光の主光線もまた計測用光センサに到達せず、計測が成立しない。従ってカンチレバーを傾けるだけではカンチレバー背面上で反射した不要光による計測ノイズの発生を回避することができない。

計測精度が劣化する第３の要因は、特許文献２で開示されている原子間力顕微鏡では、カンチレバーに入射する直線偏光と被検物に入射する直線偏光との光量比を調節できないことである。従って、カンチレバーと被検物とで反射率が異なる場合、計測用光センサ３６で検出される干渉縞のコントラストが低下し、カンチレバー変位の計測精度が劣化する。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、カンチレバーと被検物との相対位置変動の影響を軽減し、かつカンチレバー変位の計測をより一層高精度に実施可能な原子間力顕微鏡を提供することを目的とする。

本発明の原子間力顕微鏡は、探針を備えるカンチレバーを被検物に接近させ、前記探針と前記被検物の間に発生する原子間力を検出し、前記原子間力を保ちつつ走査することにより、前記被検物の面形状を計測する原子間力顕微鏡において、光源と、前記光源からの光を２種類の偏光光に分割する偏光光学素子と、前記２種類の偏光光のうちの一方を、前記カンチレバーに集光させるとともに、他方の偏光光を前記被検物に集光させ、それぞれ反射させて得られた２種類の反射光による干渉縞を得る光学系と、前記干渉縞から前記カンチレバーの変位を検出する検出手段と、を有し、前記カンチレバーは前記被検物に集光する前記他方の偏光光の光路外に配されており、前記２種類の偏光光がなす角度と、前記被検物に対する前記カンチレバーの傾斜角度が等しいことを特徴とする。

被検物表面を位置基準としてカンチレバー変位を計測することが可能となるため、カンチレバーと被検物との相対位置変動が計測結果に及ぼす影響を軽減することができる。

また、偏光光学素子により分割された２種類の偏光光は、カンチレバー先端及び被検物表面において共に頂点反射する。これにより光源から偏光光学素子で分割されるまでの光路と、カンチレバー先端及び被検物表面で反射し、偏光光学素子に再入射した後の光路を共通化することができる。

さらに、偏光光学素子により分割された２種類の偏光光の射出方位が異なるため、被検物表面へ入射させる偏光光の光路を避けてカンチレバーを配置することが可能となる。これにより、被検物表面へ入射させる偏光光の一部がカンチレバー背面で反射することもなくなり、従来技術において問題となっていた計測ノイズをなくすことができる。

カンチレバーと被検物とで反射率が異なる場合であっても、光量比を調節する手段を用いることで検出手段において検出される干渉縞を高コントラストに保つことが可能となる。

このように本発明では、共通光路部分が多く、不要光による計測ノイズの発生も回避でき、被検物の反射率によらず干渉縞を高コントラストに保つことが可能であるため、カンチレバー変位の計測を従来よりも高精度に実施可能である。

また、さらに高精度にカンチレバー変位を計測するため、カンチレバー変位量に対する検出信号変動量の感度を実測する感度情報取得手段を備えている。感度は検出手段で検出される干渉縞の状態によって変化し、カンチレバー変位の計測結果に影響を与えるが、感度情報取得手段を用いて実測した感度情報を用いて校正を行うことで感度低下による計測誤差を軽減することができる。

本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、実施例１による原子間力顕微鏡の構成を示す。この装置は、針状の探針の原子と被検物１の表面の原子間に発生する原子間力を検出し、前記原子間力を一定に保ちつつ走査するもので、除振台２ａを介して地面に固定されたベース２に、ＸＹＺステージ３とティップティルトステージ４を備えている。ティップティルトステージ４には被検物１が固定されており、ＸＹＺステージ３にはハウジング６が固定されている。ハウジング６には各種光学部品やセンサ類が内蔵されており、さらにＸＹ方向の微動機構としてＸＹスキャナ７が固定されている。また、ＸＹスキャナ７にはＺ方向の微動機構としてチューブスキャナ８が固定されている。チューブスキャナ８には、カンチレバーユニット取り付けブロック９、加振用ピエゾアクチュエータ１０、カンチレバーホルダー１１を介して、前記探針を有するカンチレバー１２が取り付けられている。カンチレバー１２の先端部の背面には反射面が形成されている。

以上説明した各種駆動機構を用いた計測動作を説明する。まず、被検物１をティップティルトステージ４に固定し、ＸＹＺステージ３とティップティルトステージ４を用いて被検物１とカンチレバー１２との相対位置関係を調節する。その後チューブスキャナ８を用いて、被検物１とカンチレバー先端に設けた探針（不図示）との間に原子間力が働く程度までカンチレバー１２を被検物１へと接近させる。そして原子間力を一定に保ちながらＸＹスキャナ７を用いてカンチレバーを走査し、被検物１の表面の面形状を計測する。原子間力を一定に保つために、本実施例では光干渉を利用してカンチレバー先端の変位を計測している。なお、本実施例では加振用ピエゾアクチュエータ１０を備えており、ＡＣモードによる計測も可能である。

次に、本実施例における原子間力顕微鏡の光学系と、この光学系によるカンチレバー先端変位の計測方法について説明する。

光源２１から出力された光は、光ファイバ２２を通ってハウジング６の内部へと導かれ、コリメータ２３により平行光へと変換される。このとき射出される平行光は、直線偏光となるように調節されている。その後２分の１波長板２４及びハーフミラー２６を透過した光は、ダイクロイックミラー２７で反射して、偏光光学素子であるローションプリズム２８へと入射する。ローションプリズム２８は複屈折材料（例えば方解石）でできており、入射光を、互いに直交する２種類の偏光光（Ｓ偏光とＰ偏光）に分離した上で異なる方向へと射出する。Ｓ偏光は集光レンズ２９によってカンチレバー１２の背面に設けられた反射面へ集光され、頂点反射する。その後は入射光路と同一光路を通りローションプリズム２８へ再入射する。一方Ｐ偏光は被検物１の表面へ集光され、頂点反射する。その反射光は同一光路を通りローションプリズム２８に再入射する。ローションプリズム２８を透過したＳ偏光とＰ偏光は共に平行光として共通光路を通り、ダイクロイックミラー２７及びハーフミラー２６で反射する。そして４分の１波長板３０、２分の１波長板３１、ハーフミラー３３、ハーフミラー３４を透過し、偏光ビームスプリッタ３５へ到達する。偏光ビームスプリッタ３５において再びＳ偏光とＰ偏光に分割され、フォトディテクタ３６とフォトディテクタ３７へと入射する。２つのフォトディテクタでは光の強度情報が取得され演算装置３８へと伝達される。演算装置３８では２種類の強度情報を解析し、干渉縞によるカンチレバー変位量を算出する。

演算装置３８における解析内容についてさらに詳細を説明する。フォトディテクタ３６で取得された光情報をＡ１とし、フォトディテクタ３７で取得された光情報をＡ２とすると、次式のように表すことができる。

ここで、Ａは光情報の大きさを定義する定数であり、λは使用している光の波長、ΔＬはカンチレバー１２と被検物１の間の相対的な変位情報、αはローションプリズム２８で分離したＳ偏光とＰ偏光の光路長差から決まる初期位相である。Ｖは位相変化に対する光情報変化の感度を表す感度係数であり、０以上１以下の値をとる。また、Φは２分の１波長板３１を回転させる回転機構３２の回転角度に応じて変化する位相である。

演算装置３８内において、これら２種類の信号を以下のように処理し、変位情報Ｓを得る。

ここでΦがαを打ち消すように２分の１波長板３１の回転角度を調整し、かつ、ΔＬは非常に微小量であるとすると、変位情報Ｓは次式のように近似できる。

このようにして求められた変位情報Ｓを用いると、次式が得られる。

上式よりカンチレバー１２と被検物１との間の相対的な変位情報を得ることができる。上式に含まれる感度係数Ｖは、Ｓ偏光とＰ偏光の重ね具合の良し悪しにより変化する値である。干渉縞がいわゆる縞一色状態であり、かつ高コントラストであれば、干渉縞の感度係数Ｖは１に近づく。

後述するように、本実施例は、干渉縞の感度係数Ｖを１に近づけるための調整機構を備えているが、高精度な測定のためには干渉縞の感度係数Ｖを正確に実測し、それを用いて変位情報を計算することが望ましい。

干渉縞の感度係数Ｖの正確な値を得るため、２分の１波長板３１を回転機構３２により回転させながらフォトディテクタ３６の強度情報を取得する。２分の１波長板３１を回転させることにより、強度情報を表す次式に含まれる位相αが変化する。

位相Φの変化に伴って強度情報が強弱し、最小強度Ａｍｉｎと最大強度Ａｍａｘを知ることができる。最低強度Ａｍｉｎと最大強度Ａｍａｘの値を用いると、干渉縞の感度係数Ｖは次式で求めることができる。

上式により求めた感度係数Ｖの実測値を用いて変位情報Ｓを計算することで、カンチレバー１２の変位を高精度に計測することができる。なお、感度係数Ｖの計測はフォトディテクタ３７より得られる強度情報により実施してもよい。

次に、高精度計測を行なうために必要な各種調整機能について説明する。

本実施例において高精度計測を行なうためには、フォトディテクタ３６及びフォトディテクタ３７において検出される干渉縞が、いわゆる縞一色状態であることが望ましい。フォトディテクタ３７において検出される干渉縞は、フォトディテクタ３６で検出される干渉縞に対し位相が１８０度ずれた状態であるため、いずれか一方を縞一色状態とすれば他方も縞一色状態となる。

そこで本実施例では、干渉縞を縞一色状態に調整するためのセンサとしてＣＣＤセンサ５３を備えている。ＣＣＤセンサ５３には、ハーフミラー３４で分割され、偏光ビームスプリッタ５１を透過し、ビームエクスパンダ５２により拡大された光が入射する。従ってＣＣＤセンサ５３により観察される干渉縞は、フォトディテクタ３６により検出される干渉縞と同じになる。このため、ＣＣＤセンサ５３により観察される干渉縞が縞一色状態となるようにティップティルトステージ４を調整することで、フォトディテクタ３６及びフォトディテクタ３７において検出される干渉縞を縞一色状態とすることができる。

ただし、被検物１が大きく傾いて固定された場合には、ＣＣＤセンサ５３において干渉縞を観察できない可能性がある。そこで本実施例では、ポジションセンサ５５を備えている。ポジションセンサ５５には、ハーフミラー３３により分割された光が入射する。従ってポジションセンサ５５には、カンチレバー１２からの反射光と被検物１からの反射光が入射することになる。そして、ポジションセンサ５５において観察される２つの輝点が重なるようにティップティルトステージ４を調整する。これにより、カンチレバー１２からの反射光と被検物１からの反射光が、ほぼ共通光路を取るように調整することができる。このため、ＣＣＤセンサ５３において干渉縞が観察できる状態となり、干渉縞が縞一色状態となるように調整することができるようになる。

また、本実施例はカメラ５６を備えており、カンチレバー先端部分の様子を観察することができる。このカメラ５６を用いることで、集光レンズ２９により集光された光がカンチレバー背面の所定の場所に照射されるように調整することが可能となる。

以上説明した本実施例と図５に示す従来例との相違点は、被検物１に入射する光が集束光である点である。その結果、Ｓ偏光とＰ偏光が異なる光路を通る範囲は、ローションプリズム２８を透過してからカンチレバー１２及び被検物１で反射し再度ローションプリズム２８に入射するまでとなり、従来よりも共通光路部分が多い。そのため、従来よりも温度や気圧等の変動に伴う大気屈折率変動の影響を軽減することが可能であり、カンチレバー１２の変位計測を高精度化することができる。

また、Ｓ偏光とＰ偏光の主光線が異なる光路を取る点も本実施例が従来例と異なる点である。その結果、Ｐ偏光が被検物１に入射する光路中にカンチレバー１２を配置しない構成を取ることができ、計測ノイズの発生を抑制することができる。

なお、Ｓ偏光とＰ偏光がローションプリズム２８により分離される角度は、被検物１に対するカンチレバー１２の傾き（傾斜角度）に応じて設計することが望ましい。より具体的には、カンチレバー１２近傍の拡大図である図２において、θ１とθ２が等しくなるようにローションプリズム２８及び集光レンズ２９を設計することが望ましい。ここでθ１は、カンチレバー１２の背面に入射するＳ偏光の主光線と、被検物１に入射するＰ偏光の主光線とがなす角である。またθ２は、カンチレバー１２の背面に設けた反射面と被検物１とのなす角度の設計値である。一般的には、カンチレバーホルダー１１と被検物1との機械的干渉を避けるため、ある程度の角度をθ２に持たせて装置設計しており、本実施例においてもθ２を１０度としている。本実施例ではＰ偏光の主光線が被検物１に垂直入射するようにアライメントして計測するため、θ１とθ２が異なり必要以上にθ１が小さい場合には、カンチレバーホルダー１１と被検物1とが機械的干渉を起こす危険性がある。

さらに本実施例は、ローションプリズム２８により分離されるＳ偏光とＰ偏光の光量比を調節する手段として、２分の１波長板２４と、回転機構２５を備えている。ここで回転機構２５は、コリメータ２３により射出された平行光の光軸を回転軸として２分の１波長板２４を回転する機構である。回転機構２５により２分の１波長板２４を回転させると、２分の１波長板２４に入射する直線偏光の偏光方向を自由に変更し射出することができる。これは、射出される直線偏光に含まれるＳ偏光とＰ偏光の割合を自由に変更可能であることを意味しており、結果としてローションプリズム２８により分離されるＳ偏光とＰ偏光の光量比を自由に調節することができる。

この光量比調節機構を用いると、カンチレバー１２と被検物１とで反射率が異なっている場合でも、カンチレバー１２からの反射光の光量と被検物１からの反射光の光量を同等にすることができる。そのため、フォトディテクタ３６及びフォトディテクタ３７で検出される干渉縞のコントラストを高くすることができ、図５に示す従来例よりもカンチレバー１２の変位計測を高精度化することができる。

なお、本実施例では偏光光学素子としてローションプリズムを用いているが、代わりにウォラストンプリズムを使用しても同様の効果を得ることができる。また、本実施例ではＳ偏光をカンチレバー背面に照射しＰ偏光を被検物に照射するとしているが、Ｓ偏光とＰ偏光を逆にしてもよい。

図３は、実施例２による原子間力顕微鏡の構成を示す図である。実施例１と異なる点は、４分の１波長板３０及び２分の１波長板３１の位置と、ハーフミラー３３の位置が逆転し、さらに、ハーフミラー３３とポジションセンサ５５との間に、偏光ビームスプリッタ５４を挿入している点である。ポジションセンサ５５には被検物１からの反射光のみが入射し、カンチレバー１２からの反射光は入射しない構成となる。そして観察される１つの輝点の位置情報を用いて、干渉縞が縞一色状態となるようにティップティルトステージ４を調整する。すなわち、干渉縞が縞一色状態となる輝点の理想位置を予め把握しておき、理想位置に輝点が移動するようにティップティルトステージ４を調整する。

本実施例の特徴は、ポジションセンサ５５において検出される輝点がひとつしかないため、計算機による演算で輝点位置をより正確に算出可能な点である。このため、被検物１のアライメント状態を計算機のみで精度よく求めることができ、自動測定に適した形態である。

図４は、実施例３による原子間力顕微鏡の構成を示す図である。実施例１、２と異なる点は、干渉縞検出用のフォトディテクタを１つに減らした点である。この場合の演算装置３８における解析内容について説明する。フォトディテクタ３６で取得された光情報をＡ１とすると、実施例１において説明したように次式で表される。

ここで、Ａは光情報の大きさを定義する定数であり、λは使用している光の波長、ΔＬはカンチレバー１２と被検物１の間の相対的な変位情報、αはローションプリズム２８で分離したＳ偏光とＰ偏光の光路長差から決まる初期位相である。Ｖは干渉縞の感度係数であり０以上１以下の値をとる。また、Φは２分の１波長板３１を回転させる回転機構３２の回転角度に応じて変化する位相である。

ここでΦがαを打ち消すように２分の１波長板３１の回転角度を調整し、かつ、ΔＬは非常に微小量であるとすると、光情報Ａ１は次式のように近似できる。

このようにして求められた光情報Ａ１を用いると、次式が得られる。

上式より、カンチレバー１２と被検物１との間の相対的な変位情報を得ることができる。上式に含まれる光情報の大きさＡと干渉縞の感度係数Ｖは、２分の１波長板３１を回転機構３２により回転させながらフォトディテクタ３６の強度情報を取得し、最小強度Ａｍｉｎと最大強度Ａｍａｘを求めることで次式のように計算することができる。

なお、本実施例の場合、カンチレバー変位の符号がわからない欠点がある。しかしながら、カンチレバーの振幅情報を用いて計測を行なうＡＣモードではカンチレバー変位の符号情報を必要としないため、本実施例を適用することができる。

実施例１による原子間力顕微鏡の構成を示す模式図である。 カンチレバー周辺部を拡大した図である。 実施例２による原子間力顕微鏡の構成を示す模式図である。 実施例３による原子間力顕微鏡の構成を示す模式図である。 一従来例を示す模式図である。

符号の説明

１ 被検物
２ ベース
３ ＸＹＺステージ
４ ティップティルトステージ
６ ハウジング
７ ＸＹスキャナ
８ チューブスキャナ
９ カンチレバー取り付けブロック
１０ 加振用ピエゾアクチュエータ
１１ カンチレバーホルダー
１２ カンチレバー
２１ 光源
２２ 光ファイバ
２３ コリメータ
２４ ２分の１波長板
２５ 回転機構
２６ ハーフミラー
２７ ダイクロイックミラー
２８ ローションプリズム
２９ 集光レンズ
３０ ４分の１波長板
３１ ２分の１波長板
３２ 回転機構
３３ ハーフミラー
３４ ハーフミラー
３５ 偏光ビームスプリッタ
３６ フォトディテクタ
３７ フォトディテクタ
５１ 偏光ビームスプリッタ
５２ ビームエクスパンダ
５３ ＣＣＤセンサ
５４ 偏光ビームスプリッタ
５５ ポジションセンサ
５６ カメラ

Claims (5)

1. 探針を備えるカンチレバーを被検物に接近させ、前記探針と前記被検物の間に発生する原子間力を検出し、前記原子間力を保ちつつ走査することにより、前記被検物の面形状を計測する原子間力顕微鏡において、
   光源と、
   前記光源からの光を２種類の偏光光に分割する偏光光学素子と、
   前記２種類の偏光光のうちの一方を、前記カンチレバーに集光させるとともに、他方の偏光光を前記被検物に集光させ、それぞれ反射させて得られた２種類の反射光による干渉縞を得る光学系と、
   前記干渉縞から前記カンチレバーの変位を検出する検出手段と、を有し、
   前記カンチレバーは前記被検物に集光する前記他方の偏光光の光路外に配されており、前記２種類の偏光光がなす角度と、前記被検物に対する前記カンチレバーの傾斜角度が等しいことを特徴とする原子間力顕微鏡。
2. 前記２種類の偏光光の光量比を調節する手段を有することを特徴とする請求項１記載の原子間力顕微鏡。
3. 前記光量比を調節する手段が、前記光源からの光の偏光方向を変更する波長板と、前記光の光軸のまわりに前記波長板を回転させる回転機構と、を有することを特徴とする請求項２記載の原子間力顕微鏡。
4. 前記検出手段が、前記干渉縞から光路長差を算出する際に用いる感度情報を取得する感度情報取得手段を有することを特徴とする請求項１ないし３いずれか１項記載の原子間力顕微鏡。
5. 前記感度情報取得手段が、前記２種類の偏光光の共通光路に配置された４分の１波長板と、２分の１波長板と、前記２分の１波長板を回転させる回転機構と、を有することを特徴とする請求項４記載の原子間力顕微鏡。

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