JPH03123810A - 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］ この発明は探針と試料面との間で作用する原子間力を検
出し、試料面の像を原子的な分解能で構成する原子間力
顕微鏡に関する。

［従来の技術］ 原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ　Ｆｏｒｃｅ　Ｍｌｃｒ
ｏｓｃｏｐｅ　：ＡＦＭ）は、原子間力を用いて、試料
の表面を原子的な分解能で観察できる装置で、先端が鋭
く尖った探針と、この探針を支持する板ばね状のカンチ
レバーを備える。探針を試料表面に非常に接近させると
、探針先端の原子と試料表面の原子との間に原子間力が
作用し、結果としてカンチレバーが上下方向に変位する
。このカンチレバーの変位量（カンチレバーに生じる反
りの量）を検出しつつ、探針を試料表面に沿って走査す
ることにより、試料表面における力の２次元情報を得、
この２次元情報から原子的尺度で試料表面の像を構成す
る。

［発明が解決しようとする課題］ ＡＦＭにおいて、探針を支持するカンチレバーは、微少
な原子間力に対して大きく変形するように、柔軟である
ことが望ましい。また、一般的構造物などから受ける数
１００Ｈｚ程度の振動ノイズに対する感度を最小にする
ため、高い共振周波数を有することも必要である。弾性
体の共振周波数ｆｏは、弾性係数をに１弾性体の有する
実効質量をｍ□としたとき、 ｆｏ　−（１／２π）　ＪＴ：フｍ□ で与えられ、カンチレバーの共振周波数は、この関係式
から外部ノイズと感度との兼合いで決められる。弾性係
数ｋを小さくして柔軟性を持たせるとともに、共振周波
数ｆｏを高くするには、実効質ｆｆｉｍｏを小さくする
必要がある。現在、マイクロッアプリケーション技術を
用いて、その実効質量を１０−”　ｋｇとし、共振周波
数を２ｋＨｚに抑えようとの提案もあるが限界がある。

また、ＡＦＭのカンチレバーの反りの検出する方法の一
つに、カンチレバーの背面に３７Ｍ探針を配置し、３７
Ｍ探針とカンチレバーとの間に流れるトンネル電流を用
いて、カンチレバーの反りを測定する方法がある。しか
し、この方法による測定では、３７Ｍ探針とＡＦＭカン
チレバーの間で作用する原子間力が測定結果に含まれる
とともに、ＳＴＭ系のノイズを測定結果に含み、正確な
ＡＦＭ＋１１１Ｊ定が得られないという問題がある。

この発明の目的は、原子間力に敏感に反応する柔軟なカ
ンチレバーを有するとともに、振動などの外部ノイズの
影響を受けにくい原子間力顕微鏡の提供にある。さらに
、この発明の別の目的は、カンチレバーの変位検出にＳ
ＴＭ系を用いる際に、ＳＴＭ系の探針とＡＦＭカンチレ
バーの間に作用する原子間力、及びＳＴＭ系のノイズを
含まない変位検出結果の提供にある。

［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、探針を支持する第１のカ
ンチレバーと、第１のカンチレバーの近傍に設けられる
第２のカンチレバーであって、第１のカンチレバーと同
じ固有振動数を有する第２のカンチレバーと、前記第１
及び第２のカンチレバーの先端部の動きをそれぞれ検出
する第１及び第２の検出手段と、前記第１及び第２の検
出手段の出力の差を検出する手段を備えることを特徴と
する。

［作用コ この発明による原子間力顕微鏡では、試料表面に作用す
る探針を備える第１のカンチレバーと、第１のカンチレ
バーと同じ固有振動数を有する第２のカンチレバーが、
互いに近接して設けられる。

例えば、これらのカンチレバーは、マイクロッアプリケ
ーション技術により、シリコンウェハをベースとして、
蒸着、エツチング等の工程を経て形成される。第１のカ
ンチレバーは、探針と試料との間で作用する原子間力及
び外部ノイズを受けて変位する。一方、第２のカンチレ
バーには試料表面と作用する探針はなく、外部ノイズに
よってのみ変位する。第１及び第２のカンチレバーは外
部ノイズを受けて同等に振動するので、第１及び第２の
カンチレバーの動きを検出し、これらの動きを示す信号
の差をとることによって、外部ノイズが容易に除去され
る。

［実施例コ 以下、図面を参照しながら、この発明の原子間力顕微鏡
の一実施例について説明する。使用されるカンチレバー
の上面図及び断面図が、それぞれ第１Ａ図及び第１Ｂ図
に示される。基板１０は、円形開口部の対向する周縁部
に固定端を有し、その自由端領域が近接する２本のカン
チレバー１２及び１４を備える。２本のカンチレバー１
２及び１４は、幅、厚さ、長さが等しく形成される。カ
ンチレバーの弾性係数には、ヤング率をＥ１カンチレバ
ーの幅、厚さ、長さをそれぞれａ、ｂ。

ｌとすると、 ｋ−Ｅａｂ３／４１３ で与えられる。共振周波数を小さくするには、ｋの値を
大きくすればよいので、ｌを長く、ｂ（厚さ）を薄くす
る。例えば、カンチレバーの幅ａ１厚さｂ１長さｌは、
それぞれａ−２００庫、ｂ−１ｏｎ、ｌ−２〜３ｍｌ１
１が採用される。

第１のカンチレバー１２は、原子間力を検出するための
探針１６を先端（自由端）部下面に備える。探針１６は
、異なる大きさの孔を有する複数のリソグラフィーマス
クパターンを用い、タングステンを積層蒸着して形成さ
れる。一方、第２のカンチレバー１４の先端部下面には
、探針１６に等しい実効質量を有するダミーウェイト１
８が、複数の孔を有するマスクを介して、タングステン
を蒸着することによって形成される。

この発明に適用される２本のカンチレバーは、同じ固有
振動数を有するとともに、先端部が近接する一対のカン
チレバーであればよく、第１Ａ図及び第１Ｂ図に示され
るカンチレバー以外の他のカンチレバーが適用されても
よい。例えば、第２図にその上面図が示されるように、
基板１０の矩形開口部の一辺に共通して固定端を有し、
平行に延出する２本のカンチレバー１２及び１４が適用
されてもよい。

次に第３図を参照しながら、この実施例で適用されるカ
ンチレバーの変位検出系について説明する。簡単のため
、図には中心光線だけが示される。

レーザーダイオード（ＬＤ）２０は、紙面に垂直な方向
に偏光面を有する光ビームＬを射出する。

光ビームＬはコリメータレンズ２２で平行ビームに変換
され、紙面に垂直な方向に格子方向を有する回折格子２
４に入射される。回折格子２４は、光ビームＬを２本の
光ビームＬ１及びＬ２に分割し、光ビームＬ１及びＬ２
はプリズム２６により下方に反射される。プリズム２６
で反射された光ビームＬ１及びＬ２は、偏光ビームスプ
リッタ−２８及び１／４波長板３０を通過し、対物レン
ズ３２によって集光される。この結果、光ビームＬｌ及
びＬ２は、３−程度の径を有し、２０ｔｎｘ程度離れる
２つのビームスポットとして、それぞれ、カンチレバー
１２及び１４の先端部に照射される。

カンチレバー上面で反射される光ビームＬ１及びＬ２は
、対物レンズ３２及び１７４波長板３０を介して、偏光
ビームスプリッタ−２８に入射する。

光ビームＬ１及びＬ２は、１／４波長板３０の２度の通
過によって、その偏光方向が９０°回転され、紙面に平
行な偏光ビームに変換されるので、偏光ビームスプリッ
タ−２８で反射される。偏光ビームスプリッタ−２８で
反射された光ビームＬ１及びＬ２は縮小レンズ３４で集
光され、第４図に示されるように、２つの２分割フォト
ダイオード３８及び４０を備える光検出器３６に入射さ
れる。光検出器３６は、第１及び第２のカンチレバー１
２及び１４の位置を反映する信号をそれぞれ出力端子４
２及び４４から出力する。端子４２は、原子間力と外部
ノイズの影響が含まれる第１のカンチレバー１２の動き
を反映する信号を出力し、端子４４は、外部ノイズによ
ってのみ変動する第２のカンチレバー１４の動きを反映
する信号を出力する。これらの出力信号は差動増幅器４
６に入力されて減算され、外部ノイズが除去された第１
のカンチレバー１２の動きを反映する信号が、出力端子
４８から出力される。

次に、カンチレバー１２及び１４の上下方向の動きの検
出について、第５図及び第６図を参照して説明する。カ
ンチレバー１２及び１４の動きを検出する光学系は同じ
であり、ここではカンチレバー１２を対象として説明す
る。カンチレバー１２の上面が対物レンズ３２の合焦位
置Ａにあるとき、カンチレバーで反射される光ビームＬ
は、第５図の実線で示される経路に沿って、偏光ビーム
スプリッタ−２８のビームスブリット面２８Ａで反射さ
れ、光検出器３６の２分割フォトダイオード３８に照射
される。このとき、光ビームＬは、第６図の実線の円で
示されるように、その中心が２分割フォトダイオード３
８の分割線上に位置する。これに対し、カンチレバー１
２の上面が対物レンズ３２の焦点からずれた位置Ｂに移
行したとき、カンチレバーで反射される光ビームＬ゛は
、第５図の破線示される経路に沿って伝搬し、結果とし
て２分割フォトダイオード２８上の結像中心が、第６図
の破線の円で示されるように、フォトダイオード２８Ａ
側に移行する。従って、２分割フォトダイオード２８Ａ
及び２８Ｂからの各出力を差動増幅器５０に入力するこ
とによって、カンチレバーの動きが検出される。

カンチレバーの変位検出系の別の例が、第７図及び第８
図に示される。この検出系では、トンネル電流を用いて
カンチレバー１２及び１４の動きを検出する。第１及び
第２のカンチレバー１２及び１４の先端部上方に、トン
ネル電流を検出するための探針５２及び５４がそれぞれ
設けられる。

探針５２及び５４は、基板１０の円形開口部の周縁で固
定されるカンチレバー５６及び５８によってそれぞれ支
持される。２つのカンチレバー５６及び５８は同様に構
成され、ここでは、カンチレバー５６についてのみ説明
する。カンチレバー５６は、共通電極６０の上下面にそ
れぞれＺｎＯ圧電体層６２及び６４が設けられ、さらに
圧電体層６２及び６４の上下面に、圧電体を駆動するた
めの電極６６及び６８を備える、いわゆるバイモルフタ
イプのカンチレバーである。このカンチレバー５６は、
ＡＦＭ系のカンチレバー１２に比べてその厚さは厚くて
もよく、またその長さは短くてもよい。重要なのは、探
針５２を設ける位置だけである。

カンチレバー１２の変位検出は、例えば第８図に示され
るように、カンチレバー１２の上面に設けられる導電層
１２Ａと探針５２との間に所定の電圧を印加し、探針５
２と導電層１２Ａとの間に流れるトンネル電流を電流検
出器７０を用いて検出しつつ、トンネル電流の値を一定
に保つようにサーボ回路７２でカンチレバー５６を駆動
する際のサーボ電圧から検出される。

以上に説明したように、この発明の原子間力顕微鏡によ
れば、同じ固有振動数を有し、その自由端が近接する２
本のカンチレバーを設け、２本のカンチレバーの動きの
差から原子間力の情報を得るので、振動などの外部ノイ
ズの影響を受は易くすることなく、柔軟なカンチレバー
が使用でき、原子間力の検出感度の向上がはかれる。ま
た、カンチレバーの変位検出にＳＴＭ系を使用した際、
ＳＴＭの探針が受ける原子間力及びＳＴＭ系のノイズを
含まない検出結果が得られるようになり、測定精度が向
上する。

［発明の効果］ この発明の原子間力顕微鏡によれば、試料面に作用する
探針を備える第１のカンチレバーの近くに、これと同じ
固有振動数を有する第２のカンチレバーを設け、第１の
カンチレバーの動きから、外部ノイズによってのみ変位
する第２のカンチレバーの動きを減算して原子間力の情
報を得るので、外部ノイズの影響を受は易くすることな
く、検出感動の向上をはかることができる。さらに、カ
ンチレバーの変位検出にＳＴＭ系を用いた際、原子間力
及びＳＴＭ系のノイズの影響を含まずに、カンチレバー
の変位が検出される。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図はこの発明の原子間力顕微鏡の実施例において
使用されるカンチレバーの上面図、第１Ｂ図は第１Ａ図
に示されるカンチレバーの断面図、第２図は別のカンチ
レバーの上面図、第３図はカンチレバーの変位検出系の
構成を示す図、第４図は外部ノイズを除去する回路の構
成を示す図、第５図はカンチレバーの変位を検出する原
理を説明する図、第６図は変位検出部の回路構成を示す
図、第７図は別の変位検出系の構成を示す図、第８図は
第７図に示される変位検出系の動作を説明する図である
。 １２・・・第１のカンチレバー　１４・・・第２のカン
チレバー　１６・・・探針。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）試料と探針の先端との間に作用する原子間力を検
   出し、試料の表面構造を原子・分子レベルで測定する原
   子間力顕微鏡において、 前記探針を支持する第１のカンチレバーと、この第１の
   カンチレバーと同じ固有振動数を有するとともに、前記
   第１のカンチレバーの近傍に設けられる第２のカンチレ
   バーと、前記第１のカンチレバーの先端部の動きを検出
   する第１の検出手段と、前記第２のカンチレバーの先端
   部の動きを検出する第２の検出手段と、前記第１及び第
   ２の検出手段の出力の差を検出する手段とを備えること
   を特徴とする原子間力顕微鏡。
2. （２）前記検出手段は、前記カンチレバーの背面に接近
   して支持される探針を備え、この探針と前記カンチレバ
   ーとの間に流れるトンネル電流を検出して、前記カンチ
   レバーの動きを検出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. （３）前記検出手段は、前記カンチレバーの背面に設け
   られる反射体と、この反射体に光を照射し、反射される
   光を検出することによって、前記カンチレバーの動きを
   検出する光学系とを備えることを特徴とする原子間力顕
   微鏡。