JPH03102209A - 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 本発明は、走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）及び原子間力
顕微鏡（ＡＦＭ）に係わり、詳しくは試料に近接させる
時の、トンネル顕微鏡および原子間力顕微鏡に用いられ
る探針の先端の正確な位置合わせに関する。

［従来技術コ 走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ；Ｓｃａｎｎｉｎｇ　　Ｔ
ｕｎｎｅｌｉｎｇ　　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）は、ジー
●ビニッヒとエッチ●ローラーらにより発明されてから
（　Ｇ．Ｂｉｎｎｉｎｇ，Ｈ．Ｒｏｈｒｅｒ．Ｃｈ．Ｇ
ｅｒｂｅｒ　ａｎｄ　ＥＪｅｌｂｅｌ：Ｓｕｒｆａｃｅ
Ｓｔｕｄｉｅｓ　ｂｙ　Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｔｕｎｎｅ
ｌｉｎｇ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ．　Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ
．Ｌｅｔｔ．．　４９　（１９８２）　５７）　、原子
オーダーの表面の凹凸を観察できる顕微鏡として、各方
面での利用が進んでいる。

探針先端の原子と試料の原子雲とが重なり合う１ナノメ
ー．夕程度まで探針を近ずけ、この状態で探針と試料間
に電圧をかけるとトンネル電流が流れる。このトンネル
電流の大きさは探針と試料の原子間距離Ｄにより変化す
る。ＳＴＭの構或としては例えば、探針およびその探針
をＸＹ方向に走査する機構を持ち、探針をＸＹ方向に走
査しなから探針と試料間に流れるトンネル電流を検知し
、試料の二次元像を得るものが提案されている。

しかしながらＳＴＭは、前述のようにトンネル電流を検
知するため、観察可能な試料としては導電性のものに限
られてしまい、絶縁性の試料は観察することができなか
った。

これに対し原子オーダーの精度で絶縁性試料を観察する
ことのできる顕微鏡として原子間力顕微鏡（ＡＦＭ；Ａ
ｔｏｍｉｃ　　Ｆｏｒｃｅ　　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）
が提案されている（Ｇ．Ｂｉｎｎｉｇ．　Ｃ．Ｆ．Ｑｕ
ａｔｅ：Ａｔｏｍｉｃ　Ｆｏｒｃｅ　ＭＩｃｒｏｓｃｏ
ｐｅ．　Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．，５６（１９８
６）　９３０）。

また試料が絶縁体の場合、電圧をかけてもトンネル電流
は流れないが距離Ｄが同じように小さくなると、ファン
デルワールス力で両者が引き合う力を、更に近ずくと原
子間斥力が作用し反発しあう力が生づることか分かって
いる。

この原理を用いてＡＭＦが構成される。探針を備えたカ
ンチレバーは、ＳＴＭではトンネル電流によるサーボ出
力を圧電体の変位としてカンチレバー上に設けたバイモ
ルフにより屈曲して探針先端の位置を制御し、ＡＦＭで
は、カンチレバーの弾性構造でファンデルワールスカま
たは原子間斥力による反りを得るため薄片・細長のカン
チレバーが用いられる。ＡＦＭにおいて、測定位置を決
定する機構としては、特願昭６２−３０１２８１号に記
載されている。これは、光学顕微鏡のレボルバーの複数
の対物レンズ取り付け口のうち、１個をＡＦＭの探針の
先端を対物レンズの焦点位置に合わせて設けたユニット
に置き換えた形をとっている。測定時にはまず光学顕微
鏡対物レンズを試料上に動かしながら、測定部位の位置
だしを行う。位置合わせができたら、つぎにレボルバー
を回転して探針を試料上に移動して、ＡＦＭによる測定
を行うようになっている。

［発明が解決しようとする課題コ ＡＦＭは、ｌｎｍ以下という高い横分解能を得ることが
できるため、一般に、１〜１０ミクロンメター角程度の
狭い走査領域で測定がなされる。したがって測定部位の
位置合わせは、少なくとも１マイクロン程度の精度で行
われるのが望ましい。しかし前記のレボルバー形式では
、位置だしの精度は、高々数ミクロン程度である。又探
針は、幅数１００ミクロン、長さ約１０００ミクロン、
厚さ数１０ミクロンの寸法をもつカンチレバーの下部に
ついているため、探針の位置を光学顕微鏡の視野内のど
の位置にあるか確認することはほとんど不可能であり、
光学顕微鏡下での試料観察点と探針位置とを対応づける
ことは困難であった。そこで光学顕微鏡で試料を観察し
ながら、容易に光学観察位置と探針の測定位置とを対応
ずける機構を提案する。

［課題を解決するための手段とその作用］探針の寸法を
幅０．２５ｍｍ，長さｌｍｍ，厚さ０．０５ｍｍとして
、光学顕微鏡接眼視野２６ｍｍΦに対し、１００倍の対
物レンズを用いると、実視野は０．２６ｍｍΦとなり、
視野の全部はカンチレバーで蔽われる。光学顕微鏡の分
解能を１マイクロンとしてカンチレパー上の探針の先端
と対応した位置にマークを付け、このマークを光学系の
接眼焦点面のレチクルの上に対応するようにカンチレバ
ーの位置を決める。このカンチレバーハ、対物レンズと
試料間にあり、対物レンズの作動距離（ＷＤ）としての
レンズ表面下３ｍｍ〜０．５ｍｍの間に挿入され試料ま
たはこの場合カンチレバーの上面に焦点合わせがなされ
る。カンチレバーの上面のマークは、１マイクロンを認
識できるようなマークとし、裏面の探針の先端との対応
が取られている。この発明は、さらに、カンチレバーを
視野内でカンチレバー幅の半分以上、幅方向または長手
方向に移動せしめうると共に、ＡＦＭまたはＳＴＭＩ察
時に、１マイクロン程度の精度で元の位置に復元できる
。

［実施例］ 第１図および第２図は、本発明の第１実施例の正面図お
よび側面図を示す。カンチレバ−１は、パルスモータ７
または積層ビエゾアクチェータのトライポッド６により
対物レンズ４と試料９の間に挿脱のため移動される。

また、側面図上に光学観察系を破断面部をもって示す。

光学顕微鏡の対物レンズ４で、試料９の表面及び探針２
の反対側に設けられたカンチレバー１上のマーク３を観
察する。第３図（−ａ）、および（ｂ）にカンチレバー
１の上面図および側面図を示す。カンチレバーｌの先端
付近には、探針２としてダイアモンド針またはタングス
テン針を設けてあり、探針２の反対側カンチレバー１上
には、探針の先端にあわせてリソグラフィにより交点を
繋いだ十字マスクを介してマーク３設けている。

第４図は、本発明ＡＦＭに組み込まれるカンチレバーの
別の例であり、一つは探針、他は、マークがカンチレバ
ー１の上下にマイクロフアプリケーションにより形威さ
れている。

ここでマイクロファブリケーシ目ンとは、マイクロマシ
ーンニングあるいはマイクロダイナミックスなどとも呼
ばれ、半導体ディバイス作製技術をベースに展開される
技術であって、ＩＣなどの純電気的なディバイスではな
く、機械的な動きを伴うディバイス、あるいは機械的形
状を問題にするディバイスを作製することを念頭に、そ
の作製技術を指すときに用いられる言葉である。例えば
、Ｋｕｒｔ　Ｅ．　Ｐｅｔｅｒｓｅｎ：　Ｓｉｌｉｃｏ
ｎ　ａｓ　ａ　Ｍｅｃｈａｎｌｃａｌ　Ｍａｔｓｒｉａ
ｌ．　　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＩＴ
ＴＴ　　７０（１９８２）４２０　　などで述べられて
いる技術が相当する。

そしてその主体を成すのが、異方性エッチングや等方性
エッチングなどの技術である。

第４図の例においては、カンチレバー本体１はＳｉより
なり、マイクロフアプリケーションによって形成されて
いる。２０１は、探針である。なお、図中１０１はカン
チレバー支持部分である。ＡＦＭのカンチレバーには、
探針の動きを最大限に生かすように、軽くて薄いことが
求められる。しかしその一方で、ＡＦＭに取り付けたり
、カンチレバーの交換を容易とするためには、支持部分
はある程度丈夫な構造である必要がある。カンチレバー
支持基板はそのためにあり、その厚さは、この場合、カ
ンチレバーを形成する時使用するＳｉウェハーの厚さ程
度である。

第５図に、そのカンチレバー作製法を示す。

まず、Ｓｉウェハー５０ｌを裏側からＳｉ３Ｎ４で開口
部分にマスクをしてから、異方性エッチングを行う（第
５（ａ）図）。Ｓｉは空気中で容易に酸化され表面はＳ
ｉ０２となり導電性が失われるので、ＳＴＭの場合、ト
ンネル電流を検知するために、前の行程で導電性材料５
０２をコーティングする（第５（ｂ）図）。次いで、探
針２０１、およびマーク３０１を作製する。マーク３０
１を形戊する面は、前行程で、光学的反射面３０２を形
成する。

そして最後に、裏面よりリアクティブイオンプラズマで
エッチングを行い、カンチレバ一部分を切り出し（第５
図（Ｃ））、本発明ＡＦＭ等に組み込まれるカンチレバ
ーをｆｌ［する。

このように探針及びマークを同じ方法で作製することに
より、探針とマークの相対位置のアライメント精度を上
げることが可能になり、寸法精度のあるカンチレバーを
作成することが可能になる。また、品質のそろった交換
用カンチレバーを作るという観点からは、前述の例より
も好ましいカンチレバーを作製することができるように
なると言える。探針２０１の製作法を第６図を用いて説
明する。

第６図（ａ）に示すようにマスクパターン６０２には、
孔６０３が開けられており、導電性材料を矢印の方向か
ら蒸着した時（第３図（ｂ））、導電性材料が十分に堆
積し、孔を埋めた時点で探針２０１となる錐体状に形或
されたところで、マスクパターン６０２を除去する（第
６図（Ｃ））。また、マーク３０１の場合は、錐体状に
なる前の台形をしめす時点で蒸着を中止し、マスクパタ
ーン６０２を除去する。

カンチレバーを構成する材料は、Ｓｉに限定されず、作
製する装置の仕様に応じて遍らばれる。例えばＳｉはＳ
ｉウェハーをエッチングしてカンチレバーの主なる部分
を作製したが、ＣＶＤ，蒸着、スパッタリングなどの膜
堆積技術とエッチング技術を組み合わせればＳｉ０２、
Ｓｆ３Ｎ４や多結晶Ｓ１あるいはＡｔなどで構或するこ
ともでき、構成材料は本発明を限定しない。カンチレバ
ー１上のマーク３の光学顕微鏡像は、対物レンズ４によ
りビームスブリッター４０を透過し、対物レンズ４の像
面に置かれたレチクル４１に結像し、接眼レンズ４２ま
たはＴＶカメラ４３から図示されないＴＶモニターを通
して観察される。８は、例えば、特願昭６２−１１５３
４６号等で開示されているような高さ変位センサーユニ
ットであり、このユニット８から出射されるレーザー光
は、カンチレバ−１のマーク３の近傍の反射面で反射さ
れ検出光となって観察系の対物レンズ４を共用して、ビ
ームスプリッタ−４０で反射され高さ変位センサーユニ
ット８の検出センサーにカンチレバー１の反射面の高さ
位置に対応して出力する。カンチレバー先端下側には、
ダイヤモンド等でできたＡＦＭの探針２が付いており、
またもう一端は積層ピエゾアクチュエー夕のトライポッ
ド６に固定され、３軸方向に位置を微調整できる。パル
スモータ７は、トライボッド６を載せたステージ１４を
紙面上左右の方向に移動し、カンチレパー１を観察光学
系の光軸位置に移動できる。試料９を載せた試料台１０
は別のトライポッドｌ１に固定されている。１２は、積
層ビエゾアクチュエータ駆動の平行板ばねステージ、１
３は手動あるいはパルスモータ駆動の粗動ステージであ
り、それぞれ水平２軸方向のステージを重ねている。Ａ
ＦＭ測定時の走査は上記トライポッド１ｌで行われる。

観察光学系と高さ変位センサー８、ステージｌ４は高さ
方向に移動する同一のステージ２０に固定されている。

次に本実施例の作用を第７、及び８図に従って説明する
。まず、パルスモタ−７およびトライポッド６により、
カンチレバー１を光学顕微鏡の視野内に移動し、カンテ
レパー１上のマーク３をレチクル４１上の例えば十字線
４４の交点に合わせ、パルスモータ７のパルスカウント
、トライポ・ノド６の印可電圧などによりカンチレバ−
１の位置を記憶しておく。

ＴＶカメラ４３を用いる場合は、ＴＶモニター上に設け
た十字カーンルに合わせる。続いてパルスモータ７によ
り、カンチレバー１を光学顕微鏡視野外に移動し、今度
は光学顕微鏡の命焦下の試料９を接眼レンズ４２または
ＴＶカメラ４３・ＴＶモニターで観察しながら、粗動ス
テージ１３を動かし試料９上の測定したい位置を十字線
４４の交点または十字カーソルに合わせる。試料の位置
合わせが終了したら、後にＡＦＭ測定を行うときまで、
トライポッド１１、平行板ばね１２、粗動ステージ１３
は固定したままにしておく。つぎに再度パルスモータ７
、トライボッド６を用いて、カンチレバ−１のマーク３
を十字線交点に合わせる。以上の操作により、カンチレ
バー１の探針２の先端の位置が、試料９の測定位置に合
わせられる。Ａ　Ｆ　Ｍの測定方法については、トライ
ボッド６または１１により２次元走査し、その間、カン
チレバー１の探針２の先端の原子と試料９の１つの原子
の原子間力によりカンチレバ−１が反るの高さ変位セン
サーユニット８の出力でＣＲＴ表示する。

カンチレバ−１の視野内からの移動の第２の実施例、第
３の実施例を第９および１０図に示す。第９図において
、マーク３と探針２を表裏に持つカンチレバー１は、そ
の支持部１５を２枚の薄板１６及び１７で挟み、カンチ
レバー１のアーム部１２を決定する。支持部１５は、所
定の位置に薄板１６．１７に垂直に孔１９を備え、孔１
９には固定リング２０に立てられた軸２１が、勘合でカ
ンチレバ−１を回転可能に支持するように支持部１５を
スリップリング２６で固定する。固定リング２０にはＬ
字ばね２２を固定するばね止め２３を設け、Ｌ字ばね２
２の一端には係止ブロック２４を介しカンテレパー１の
矢印Ｒで示す右回転を阻止する。また固定リング２０に
は位置決めブロック２５を備え、Ｌ字ばね２２の矢印Ｌ
の左回転に対し、カンチレバ−１の位置を突き当てによ
り精度よく定める。

固定リング２０には力冫チレバ−１と垂直方向にネジ２
７が切られており、対物レンズ４のレンズ組み込みの雌
ネジ２８に取り付けることができる。固定リング２０が
、光学系に取り付けられたとき、位置決めブロック２５
に突きあてられたカンチレバ−１上のマーク３は、レチ
クルの十字線の交点と重なる。この実施例のカンチレバ
ー１は、支持部１５の−ｉを指で右回転することで容易
にカンチレバー１を視野から除去することができる。

第１０図において、カンチレバ−１とトライボッド６と
の間にトライポッド６を支点としてカンチレバー１を水
平方向へ回転可能なばね２９を設ける。ばね２９は、水
平方向に薄い金属の板ばねで、垂直方向に自由度はない
ので、カンチレバーｌの本来の反り方向と干渉すること
がない。探針２を光学系の視野から除去するには、ばね
２９の変形方向に図示しない手段で外力を加え、外力を
除けばばね２９の弾性で容易に元の位置に復元する。

［発明の効果］ 以上述べたように、カンチレバーを用いて構成した本発
明ＡＦＭにおいては、試料の光学顕微鏡下の観察位置と
探針の位置とを容易にしかも、正確に対応ずけることが
でき、しかも光学顕微鏡とＡＦＭあるいはＳＴＭの交換
の前後において、再現性のある位置に定めることができ
るようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、第１実施例のＡＦＭの正面図、第２図はその
側面図、第３図（ａ）および（ｂ）は、本発明に用いら
れるカンチレバー上面図および側面図、第４図は他の実
施例のカンチレバー、第５図は第４図のカンチレバーの
作製法を説明する図、第６図は、カンチレバーのＩＣプ
ロセスによる探針およびマークの作製法、第７、および
第８図は第１実施例の作用を説明する図、第９図および
第工○図は正確な位置復元の手段としてのカンチレバー
を示す第２、および第３の実施例を示す図０ １・・・・・・・・・・・・カンチレバー２・・・・・
・・・・・・・探針 ３・・・・・・・・・・・・マーク ４・・・・・・・・・・・・対物レンズ６、１１・・・
トライポット ７・・・・・・・・・・・・パルスモーター８・・・・
・・・・・・・・高さ変位センサー９・・・・・・・・
・・・・試料 １２・・・・・・・・・平行板ばねステージ４１・・・
・・・・・・レチクル ４４・・・・・・・・・十字線 ３ Ｃ ２ − （ｂ） ジ７３　ニ ４ ’：”，　　２　　’，５４ （ｂ） （Ｃ） ゜−″；５．ｉ！ の℃ ／ （０） （ｂ） （Ｃ） ”’）ｒ　　６　　ｚ １０二｝ ゛一′・　８

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）試料保持部と、試料を観察する対物レンズを有す
   る観察光学系と、前記対物レンズと前記試料保持部の間
   に挿入される探針を有するカンチレバーと、該カンチレ
   バーの探針の裏側面に投射し反射される光を検出してカ
   ンチレバーの上下動を検出する光学系を備えた原子間力
   顕微鏡であって、探針の先端の位置に対応した位置にマ
   ーカーを備えたことを特徴とするカンチレバーを構成要
   素として含む原子間力顕微鏡。
2. （２）観察系のレチクル面の所定の位置にカンチレバー
   のマーカーが投影配置されるようにカンチレバーを挿入
   されることを特徴とする請求項（１）記載の原子間力顕
   微鏡。
3. （３）挿入された該カンチレバーは、光学観察時に観察
   光学系の視野から除去され、マーカーに対応した試料位
   置が観察され、原子間力検鏡時には、元の位置に復元す
   る手段を備えたことを特徴とする請求項（２）及び請求
   項（３）記載の原子間力顕微鏡。