JPH02281103A - 原子間力顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ この発明は、原子間力顕微鏡に関する。より詳しくは、
原子間力により生じる片持ちばりのたわみを光学的に検
出する原子間力顕微鏡に関する。

［従来の技術］ 片持ちばりに取り付けられた鋭く尖った探針を試料面に
非常に接近させると、探針の頂点にある原子と試料表面
の原子との間に微小の引力または斥力（原子間力）が生
じる。このため、片持ちばりには、僅かながらたわみが
生じる。

この片持ちばりのたわみの大きさを検出することによっ
て、チップの先端の原子と試料表面の原子の間に作用す
る原子間力を測定するとともに、探針を走査することで
試料表面を原子レベルで観測する原子間力顕微鏡が提案
されている。その−例が、フィジカル・レビュー・レタ
ーズ（Ｐｈｙｓ、Ｒｅｖ、Ｌｅｔｔｃｒｓ）第５６巻、
第９号、１９８６年３月、９３０〜９３３頁のＧ、ビン
ニッヒ（Ｂｉｎｎｉｇ）　、Ｃ，Ｆ、　　クエイト（Ｑ
ｕａｔｃ　）、Ｃｈ、ゲルバ（Ｇｅｒｂｃｒ）らの論文
に記載されている。

［発明が解決しようとする課題］ 片持ちばりのたわみの大きさを検出する方法としては、
トンネル顕微鏡を用いる方法、静電容量法などがある。

トンネル顕微鏡を用いる方法は、片持ちばりの背面にト
ンネルチップをトンネル距離以下に配置して、トンネル
電流の変動から片持ちばりのたわみ量を検出する。また
静電容量法は、片持ちばりの背面を１つの極板とする平
板コンデンサを形成し、静電容量の変化から片持ちばり
のたわみ量を検出する。

原子間力による片持ちばりのたわみ量は極微小であるこ
とから、原子間力顕微鏡のたわみの検出には、超高感度
かつ外部ノイズに強いことが要求される。しかし、前述
のいずれの検出方法も、振動などの外部ノイズに弱いと
いう欠点がある。従って、測定結果にノイズを大きく含
み不安定であるという問題がある。

この発明は、振動などの外部ノイズに強く、超高感度の
原子間力顕微鏡を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ この発明の原子間力顕微鏡は、原子間力を発生させるた
めの探針と、試料面に原子間力が発生可能な距離以内に
近づけて配置される上記探針を支持する片持ちばりと、
上記探針を上記試料表面で走査させる走査手段とを備え
、原子間力により生じる」二記片持ちばりのたわみを検
出する原子間力顕微鏡において、 検出光を放射する光源と、上記検出光を平行光にするレ
ンズと、上記検出光を透過または反射し、片持ちばりか
らの反射光を反射または透過する偏光ビームスプリッタ
−と、偏光ビームスプリッタ−の前方に配置された１／
４波長板と、上記ビームスプリッタ−を透過または反射
され、上記１７４波長板を透過した検出光を集光し、片
持ちばりにスポット照射する対物レンズと、片持ちばり
からの反射光の中心光線が反射面に臨界角で入射するよ
うに配置された臨界角プリズムと、」−記プリズムで反
射された光量を検出する光検出器とを備える。

［作　用］ この発明において、片持ちぼりは、試料表面に垂直な方
向に片持ちばりを移動させる微動機構を支持部に備える
。この微動機構により探針が原子間力発生可能距離以内
に近づけられると、原子間力を受けて片持ちぼりかわん
曲する。このため、微動機構により決定される片持ちば
りの試料表面からの距離と、片持ちばりの先端部の実際
の試料表面からの距離に違いが生じる。この発明では片
持ちぼり先端部の位置（試料表面からの距離）をこの発
明の片持ちばりのたわみ検出には、デジタルオーディオ
ディスク用の光学ヘッドに採用されもいる、いわゆる臨
界角によるフォーカスエラー検出法を応用した光学系が
使用される。光源から射出された検出光は、レンズによ
って平行光にされた後、ビームスプリッタ−に照射され
る。ビームスプリッタにおいて反射（または透過）され
た検出光はｌ／４波長板を透過した後、対物レンズによ
って集光される。この集光された検出光は、先端部下面
に垂直に探針が取り付けられた片持ちばりの上面の内、
探針の中心軸延長上に位置する領域にスポット照射され
る。このとき片持ちぼりの上面は、高反射率であること
が好ましい。片持ちばりの」二面で反射された反射光は
、再び対物レンズに入射される。このとき、対物レンズ
透過後の光は、対物レンズと片持ちぼり上面との位置関
係において、平行光束または発散光束あるいは集束光束
となる。すなわち、片持ちぼり上面が対物レンズの焦点
位置にあるときは平行光束に、また片持ちぼり上面が対
物レンズの焦点距離より近くにあるときは発散光束に、
逆に片持ちぼり上面が対物レンズの焦点距離より遠くに
あるときは集束光束にされる。対物レンズを透過した光
束は、１７４波長板を介してビームスプリッタ−を透過
（または反射）した後、臨界角プリズムに入射される。

臨界角プリズム内において、平行光束は全て反射される
が、発散光束または集束光束は一部しか反射されない。

なぜなら、発散光束または集束光束の内、中心から一方
にある光は、プリズムの反射面において、入射角が臨界
角より大きくなるので、臨界角より大きい角度で入射し
た光の一部がプリズムの外に射出されるためである。こ
の結果、プリズムを透過した後の光束は、対物レンズと
片持ちばりの位置関係によって、光束の直径が変化する
とともに、光束の中心線を境にして二分される領域の各
々の光量が異なる。この光量の差を、例えば２分割フォ
トダイオードからなる光検出器で検出することによって
、片持ちぼり先端部の位置が検出される。なお、検出感
度を向上させるために、プリズム内において、反射が数
回繰り返されるのが望ましい。このようにして、検出さ
れ得た片持ちばりの位置と微動機構から構成される装置
との差が検出され、さらに、この差が演算処理されて原
子間力に換算されて出力される。

［実施例］ この発明の実施例に係る原子間力顕微鏡の構成が第１図
に示される。

レーザダイオード２から射出された光は、コリメータレ
ンズ４によって平行光にされる。この平行光は偏光ビー
ムスプリッタ−６で反射された後、１７４波長板８を介
して対物レンズ１０に入射し、集光される。この結果、
直径１．８ｕｍのビームスポットが、片持ちばり１２の
鏡面１３に照射される。

片持ちばり１２はその先端部に、垂直下方向に延出する
原子間力検出用の探針１４を備え、先端部の上面には鏡
面１３が形成されている。この片持ちばり１２は、前述
した探針１４の先端部と試料１６の表面との間隔が原子
間力が発生可能な距離以下になるように支持される。

対物レンズ周辺部は、ユニットとして構成される。第２
図に示されるように、対物レンズユニット３０には、環
状に設けられた支持部材３２を介してカバーガラス支持
体３４が着脱可能なように、例えば螺合やボルト留めに
よって取着されている。

カバーガラス支持体３４の下端中央部には透孔が設けら
れ、この透孔を塞ぐようにカバーガラス３６が取り付け
られている。探針１４を備える片持ちばり１２は、光学
系の光軸上に探針１４が位置するように、カバーガラス
３６に固着された圧電体３８によって支持される。この
圧電体３８は図示しない電力を備え、この電極に所定の
電圧が印加されることによって片持ちばり１２は微動さ
れ、探針−試料間距離が調節されるとともに、印加電圧
から、仮に原子間力を受けていないとしたときの片持ち
ばりの先端部の位置が決定される。あるいは、カバーガ
ラスを用いる代わりに、片持ちばりが取り付けられた透
明圧電体、例えばＬ　ｉ　Ｎ　ｂ　ｏ　Ｂ板を用いても
よい。このＬｉＮｂＯ３板は透明電極を備え、光学的に
透明であることは言うまでもない。従って、この場合の
ＬｉＮｂＯ３板はカバーガラスと微動機構の２つの役目
を果たす。

片持ちばり１２の鏡面１３で反射された光は、対物レン
ズ１０で集光され、１７４波長板８に入射される。ｌ／
４波長板８を透過した光はビームスプリッタ−６を透過
し後、ビームスプリッタ−２０において２分される。第
２のビームスプリッタ−２０で反射された光は、第１の
臨界角プリズム２２に進入し、プリズム内で２回反射さ
れた後、第１の２分割フォトダイオード２６に照射され
て光電変換される。また、ビームスプリッタ−２０を透
過した光は、第２の臨界角プリズム２４に照射され、プ
リズム内で２回反射した後、第２の２分割フォトダイオ
ード２８に照射され光電変換される。

この発明において、片持ちばりのたわみの検出には臨界
角法が用いられる。臨界角法の原理を第３図を参照して
簡単に説明する。

反射面ａが対物レンズｂの焦点位置（実線Ｂで示される
位置）にあるとき、すなわちビームが合焦状態にあると
き、反射面ａからの反射光は、対物レンズｂで平行光束
にされて臨界角プリズムＣに入射される。このとき、平
行光束がプリズムの反射面となす角度が、ちょうど臨界
角となるように、臨界角プリズムＣが配置されている。

一方、反射面ａが対物レンズｂの焦点より近い位置（点
線Ａで示される位置）にある場合、対物レンズｂを透過
した後の光は発散光束になる。逆に反射面ａが対物レン
ズｂの焦点より遠い位置（点線Ｂで示される位置）にあ
る場合、反射光は集束光束になる。いずれの場合も非平
行光束が臨界角プリズムＣに入射される。これらの場合
には、中心光線のみが臨界角で入射され、中心から一方
にある光束の入射角は臨界角よりも小さくなるので、光
の一部は屈折プリズム外に射出されて残りの光だけが反
射される。逆に中心の反対側にある光束は、入射角が臨
界角よりも大きぐなるので全反射される。この結果、２
分割フォトダイオードｄに入射される光束の光量は左右
の検出面で異なり、光量の差に対応した信号が、差動ア
ンプｅを介して出力端子ｆから出力される。すなわち、
反射面ａの位置は、２分割フォトダイオードｄの検出面
の光量差で現われるので、出力端子ｆから出力される差
信号から位置が検出される。

このように、臨界角より小さい角度で入射された光は、
反射面に当たるたびに光の一部が臨界角プリズムの外に
射出されるので、屈折成分の光量は著しく減少する。こ
のため、臨界角より小さい角度で入射した光と、臨界角
以上の角度で入射した光との光量の差が大きく拡大され
る。従って、測定精度を向上させるため、臨界角プリズ
ム内において数回の反射が繰り返されるのが望ましい。

この実施例では、臨界角プリズム内において検出光束は
２回反射される。第１の２分割フォトダイオードの検出
面であるフォトダイオードＰＤＩの出力は、比較器４２
の反転入力端子に入力され、またフォトダイオードＰＤ
２の出力は、比較器４２の非反転入力端子に人力され、
フォトダイオードＰＤＩとフォトダイオードＰＤ２の出
力の差が比較器４２から出力される。一方、第２の２分
割フォトダイオードのフォトダイオードＰＤ３の出力は
、比較器４４の反転入力端子に入力され、フォトダイオ
ードＰＤ４の出力は、比較器４４の比較器４２から出力
される。比較器４２と比較器４４の出力は、加算されて
比較器４６の一端子に入力され、基準値と比較された結
果が出力される。

従って、光検出器に照射されるビームスポットの中心線
を境に２分される領域の光量の差、すなわち片持ちばり
１２の先端部の位置を示す信号が端子５０から出力され
る。この端子５０からの出力と、原子間力を受けないと
きの片持ちばり１２の位置を示す圧電体３８の印加電圧
との差をとることにより、たわみ量が検出される。さら
に、たわみ量を示す信号は演算処理されて原子間力に変
換されて出力される。

以上に説明したように、この発明の原子間力顕微鏡では
、片持ちばりのたわみの検出には臨界角法を応用した光
学系を用いて行なう。この光学系は振動などの外部ノイ
ズに強いとともに、へ単位の変動が検出でき、非常に高
感度である。従って、超高感度かつ安定した測定結果が
得られるようになる。しかも光学系の構成は簡単なので
、小型かつ安価に装置を作ることができる利点がある。

［発明の効果］ この発明の原子間力顕微鏡によれば、片持ちばりのたわ
みの検出には振動などの外部ノイズに強く、しかも非常
に高感度な光学系が使用されるので、安定した測定結果
が得られるようになる。さらに、この発明に用いる光学
系はその構成が簡単なので、比較的安価でコンパクトな
原子間力顕微鏡が提供できるようになる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の実施例の構成を示す図、第２図は
、対物レンズユニットの断面図、第３図は、臨界角法の
原理説明図、 第４図は、検出信号の処理回路図である。 ２・・・レーザダイオード、４・・・コリメートレンズ
、６・・・偏光ビームスプリッタ−８・・・ｌ／４波長
板、１０・・・対物レンズ、１２・・・片持ちばり、１
４・・・探針、１６・・・試料、２０・・・ビームスプ
リッタ−第１の臨界角プリズム、 ２４　・ 第２の臨界 角プリズム、 ６・・・第１の光検出器、 第２ の光検出器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 原子間力を発生させるための探針と、試料面に原子間力
   が発生可能な距離以内に近づけて配置される上記探針を
   支持する片持ちばりと、上記探針を上記試料表面で走査
   させる走査手段とを備え、原子間力により生じる上記片
   持ちばりのたわみを検出する原子間力顕微鏡において、 検出光を放射する光源と、 上記検出光を平行光にするレンズと、 上記検出光を透過または反射し、片持ちばりからの反射
   光を反射または透過する偏光ビームスプリッターと、 偏光ビームスプリッターの前方に配置された１／４波長
   板と、 上記ビームスプリッターを透過または反射され、上記１
   ／４波長板を透過した検出光を集光し、片持ちばりにス
   ポット照射する対物レンズと、 片持ちばりからの反射光の中心光線が反射面に臨界角で
   入射するように配置された臨界角プリズムと、 上記プリズムで反射された光量を検出する光検出器とを
   備えることを特徴とする原子間力顕微鏡。