JPH0321802A

JPH0321802A - 原子間力顕微鏡および原子間力顕微鏡探針

Info

Publication number: JPH0321802A
Application number: JP15723889A
Authority: JP
Inventors: Akitoshi Toda; 戸田　明敏
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1989-06-20
Filing date: 1989-06-20
Publication date: 1991-01-30

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］本発明は、原子間力顕微鏡に関し、とくに原子間力顕微
鏡に用いられる探針に関する。

［従来技術］走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ；Ｓｃａｎｎｉｎｇ　　Ｔ
ｕｎｎｅｌｉｎｇ　　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）は、Ｂｉ
ｎｎｉｎｇとＲｏｈｒｅｒらにより発明されてから（　
Ｇ．Ｂｉｎｎｉｎｇ．Ｈ．Ｒｏｈｒｅｒ．Ｃｈ．Ｇｅｒ
ｂｅｒ　ａｎｄＥ．Ｗｅｉｂｅｌ：Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｓ
ｔｕｄｉｅｓ　ｂｙ　Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｔｕｎｎｅｌ
ｉｎｇ　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。

代表的なＳＴＭの構成としては例えば、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　　ｐｏｒｃｅ　　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）
が提案されている（　Ｇ．Ｉ３ｉｎｒ＋ｉｇ，Ｃ．Ｆ．
Ｑｕａｔｅ：Ａｔｏｍｉｃ　Ｆｏｒｃｅ　Ｍｉｃｒｏｓ
ｃｏｐｅ．　Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．，５８（１
９８６）　９３０）　ｏ第４図にその一例を示す。

ＡＦＭの構造はＳＴＭに類似しているだけでなく，ＡＦ
Ｍの機構の一部としてＳＴＭを利用しているものがある
。ＳＴＭと比較したときの構成上の特徴としては、必ず
しも導電体ではない先端が鋭く研磨された突起部分（第
一の探針）４０５を持つカンチレバー４０６を持ってい
ることである。

そしてその突起部は試料４０４に対向させてある。

カンチレバー４０６と試料４０４を近づけると、突起部
先端の原子と試料原子との間に相互作用力が働くことか
ら、試料４０４を取り付けたスキャナー４０２をＸＹ走
査制御回路４１１の指令でドライブするＸＹスキャナー
ドライブ回路４１２によりＸＹ方向に走査させ両者の位
置関係を相対的に変化すれば、カンチレバーは試料にそ
って変位する。このカンチレバーの変位をカンチレバー
に対して試料と反対側に配置した第二の探針４０７を導
電体にｌｎｍ程度に接近配置した公知のＳＴＭ機構（探
針４０７、トンネル電流測定回路４１３、ＳＴＭサーボ
回路４１４、アクチュエータ４０９、アクチュエータド
ライブ回路４１５）により測定することにより、ＳＴＭ
では計れなかった絶縁性の試料も測定することができる
。

［発明が解決しようとする課題コ絶縁性試料を扱うことができるという優れた特徴を持つ
ＡＦＭであるが、上記のように機構が複雑になるため、
装置を保守する観点からはＳＴＭと比べ少なからず問題
を持っている。

例えば、ＳＴＭにおいては測定部位で鋭利な部分は探針
の存在は一ケ所のみであるのに対して、ＡＦＭにおいて
はカンチレバー上の突起部分とその上のＳＴＭの探針の
二ケ所存在する。これらの鋭利な部分は、例えば試料と
探針衝突するようなことが有れば、交換再研磨などの保
守手段をこうしる必要が、試料探針間距離を〜数１０ｎ
ｍで測定するＳＴＭやＡＦＭにおいては、装置仕様環境
等が悪いと、その様な衝突は時々起こる。このため、前
述のように鋭利な部分の多いＡＦＭはＳＴＭに比べ交換
を頻繁に行う必要があった。探針交換に関する問題は一
つにはコストの問題があるが、それ以上に探針交換に必
要な時間が短くないことである。

従来のＡＦＭにおいては、探針の交換に際しては、二つ
の探針がそれぞれ観察している位置を、最も好ましい位
置に設定するため、二つの探針の位置合わせという作業
が必要となる。この設定が正しく行われないと再現性の
あるデータを得ることができないため、探針交換には長
い時間が必要であった。従って、この部分に対する改善
が望まれていた。

［課題を解決するための手段とその作用］以上のような
点に鑑み、本発明は、保守が簡単なＡＦＭを提供するに
は、二つの探針をカンチレバーとともに一体に形成しを
使用することによりこれを達成する。

２つの探針（突起部）は、一体に形成されているので、
予めＳＴＭ部分を調整したユニソトとなっており、ＡＦ
Ｍとしての使用時には、ＡＦＭ探針と試料間の調整をす
るだけでよく、交換・再調整も容易にできる。

［実施例］第１図に本発明のＡＦＭの構戊図を示し、第２図にそこ
に組み込まれているカンチレバーを示す。

第２図においては、カンチレバ−１０６とカンチレバー
１０６と同一部材の一端を曲げ、先端を加工した第１の
探針１０５，とカンチレバー上に設けた第２の探針１０
７とにより一体に形成されている。

このカンチレバ−１０６は、第１図のＡＦＭにおいて試
料１０４とカンチレバー変位参照導体部１０８との間に
配置され、試料１０４と第一の探針１０５の間に働く相
互作用力で変位する。このカンチレバー１０６の反対側
には第二の探針１０７が形成されている。カンチレバー
変位参照導体１０８と、第二の探針１０７にパイ・アス
回路１１１より印加されたバイアスにより探針１０７と
の間に流れるトンネル電流をトンネル電流検出回路１１
２で検知する。また検知されたトンネル電流は、トンネ
ル電流を一定にするように出力するＳＴＭサーボ回路１
１３に入力され、カンチレバ一変位参照導体１０８の位
置をビエゾトランスジューサ１０っで変位する。一方ト
ランスジューサ１０９およびカンチレバー１０６を支持
する支持部材１１０は、鏡基１０１に保持されている。

また鏡基１０１は試料１０４を載置するＸＹステージ１
０２を保持している。いま、ＸＹスキャナードライバー
１１４で駆動されるＸＹステージ１０２の試料をＸＹ方
向く紙面上下方向をＺ方向とする）に走査し、トンネル
電流検出回路１１２の出力をＸＹスキャナーに同期して
処理する画像データ処理回路１１５により、試料像をモ
ニター１１６に出力する。

上記の構成によれば、第一の探針と第二の探針をカンチ
レバー１０６と一体にを組み込んだＡＦＭは、試料表面
１０４の凹凸に対応してカンチレバー１０６が変位し、
この変位に基ずくトンネル電流を画像化する。

本発明Ａ　Ｆ　Ｍの構造上の特徴は、二つの探針が同一
のカンチレバー上に形成されていることである。このた
め少なくともカンチレバーの交換を行う時点においては
、第一の探針と第二の探針との位置合わせは完了してお
り、従来のＡ　Ｆ　Ｍにおいて生じていたような、探針
の位置合わせをする必要がないという特徴を有している
。すなわち、カンチレバーの交換を非常に容易にするこ
とができ、装置の保守を簡素化することが可能になる。

第２図に示した本発明Ａ　Ｆ　Ｍに組み込まれるカンチ
レバー１０６は、Ｌ字型に曲げた金属ワイヤーを用い、
その突起部分を第一の探針１０５としてあり、そしてそ
れとは反対側に第二の探針１０７が形或されている。第
二の探針１０７は導電性材料を蒸着法して作製してある
。第３図を用いて第二の探針の作製法を説明する。

まず、第一の探針となるように金属ワイヤーの先端の一
方を鋭＜ＬＬ字型としたカンチレバーの第一の探針と反
対の側の面３０１に、第二の探針作製用パターン３０２
をセットする。第３（ａ）図で示すようにパターンには
穴３０３が開けてあり、導電性材料を矢印の方向から蒸
着した時（第３（ｂ）図）、第二の探針を形成する錐体
を金属ワイヤー上に形成することができる。パターンは
第二の探針をなす椎体が形成されたところで取り外す（
第３（Ｃ）図）。以上により本発明ＡＦＭニ組み込まれ
るカンチレバーは形成される。

本発明ＡＦＭに組み込まれるカンチレバーのＬ字型ワイ
ヤーを構戊する材料としては、従来のＡＦＭに使用する
ものが同様に使用可能であり、代表的なものとしてはＷ
ワイヤー、ＡｕワイヤーＡＩフォイルがあげられ、第一
の探針を作製するには電解研磨法などが用いられる。ま
た、複数の材料を組み合わせて作製しても良く、例えば
ダイヤモンドチップをＡＩフォイルに付け作製してもよ
い。

蒸着により第２の探針を構成する導電性の材料としては
、Ａｕ，ＡＩなどが代表的である。そしてその形成法と
しては蒸着法以外、スパッタリングなどの種々の物理的
成膜法にても形或することができる。

第二の探針を構成する位置については、本来試料の情報
を反映する第一の探針とカンチレバーに対して反対側に
あることが望ましい。しかし、試料の情報をひろう第一
の探針を支持するカンチレバーとしては、第一の探針を
支持する弾力性を持つ範囲でなるべく軽いことが望まし
い。その意味では、第二の探針は、第一の探針よりもカ
ンテレバーの支点側に近い側に位置させ、重心位置を支
点側にもってくる方がよい。

なお、ＡＦＭのデータ処理回路、サーボ回路など、回路
構成については他にもいくつか提案されており、本発明
へのそれらの回路応用は可能であり、本発明ＡＦＭはそ
れらによっては限定されない。

本発明ＡＦＭでは、二つの探針が同一のカンチレバー上
に形威したため、レバー変位測定用のプローブは従来の
ように探針をもつ必要がなく、第１図で示すように平坦
になっている。第二の探針との間にトンネル電流が流れ
れば良いので、導電性の材料を用いる。この部分につい
てはＳＴＭと同じなので、平坦性の良い面を出すことが
安定した良いデータを取るために必要であり、Ｓ　Ｔ　
Ｍの標準使用として用いられるグラファイトなどを貼つ
けて面を構或しても良い。

第５図は、本発明ＡＦＭに組み込まれるカンナレバーの
別の例であり、二つの探針及びカンチ′バーがマイクロ
フアプリケーションにより形成されている。

ここでマイクロファブリケーションとは、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　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｍａｔｅｒｉａ
ｌ．　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＩＴＴ
Ｔ　　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５図の例においては、カンチレバー本体５０３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。５０１，５０２は第一第二の探針である。な
お、図中５０５はカンチレバー支持部分である。ＡＦＭ
のカンチレバーには、第一の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、カンチレバーを形或する時使
用するＳｉウェハーの厚さ程度である。

第６図にそのカンチレバー作製法を示す。まず、Ｓｉウ
ェハー６０１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６（ａ）図）
。Ｓｉは空気中で容易に酸化され表面はＳｉ○２となり
導電性が失われるので、トンネル電流を検知するために
、次の行程で導電性材料６０２をコーティングする（第
６（ｂ）図）次いで、第一、第二の探針６０３．６０４
を作製する。これについては第３図を用いて説明した方
法を使用し、両面に探針を形戊する。

そして最後に、裏面よりリアクティブイオンプラズマで
エソチングを行い、カンチレバ一部分を切り出し、本発
明ＡＦＭに組み込まれるカンチレバーを作製する。

このように第一第二の二つの探針を同じ方法で作製する
ことにより、探針位置のアライメント精度を上げること
が可能になり、再現性のあるデータを取ることが可能に
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。

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えらばる。例えばＳｉはＳｉ
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、Ｓ
ｉ３Ｎ４や多結晶ＳｉあるいはＡＩなどで構成すること
もでき、構成材料は本発明を限定しない。

［発明の効果コ以上述べたように、予め第一の探針と第二の探針との位
置合わせを行うべく、それら二つの探針を同一のカンチ
レバー上に形成し、そのカンチレバーを用いて構成した
本発明ＡＦＭにおいては、従来のＡＦＭにおいては複雑
で改良の望まれていた探針交換の簡素化を図ることがで
き、しかも交換の前後において、再現性のあるデータを
取ることができるようになる。

１０８・・・・・・・・・・・・・・・・・・カンチレ
バ一変位参照導体１０９，１１０・・・・・・ピエゾア
クチュエータ１０２・・・・・・・・・・・・・・・・
・・ＸＹステージ１１２・・・・・・・・・・・・・・
・・・・トンネル電流検出回路

【図面の簡単な説明】

第１図は、第１実施例の原子間力顕微鏡、第２図は、本
発明原子間力顕微鏡に組み込まれているカンチレバー、
第３図は、カンチレバー上の突起の作製法を説明する図
、第４図は、従来の原子間力顕微鏡、第５図は、本発明
原子間力顕微鏡に組み込まれるカンチレバーの他の実施
例を示す図、第６図は、第５図のカンチレバーの作製法
を説明する図。１０４・・・・・・・・・・・・・・・・・・試料１０
５，１０７・・・・・・探針第３図第４図第５図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）第１のの探針と、第１の探針と試料との相互作用
力を反映して変位するカンチレバーと、該カンチレバー
の変位を測定する第２の探針と、第２の探針と対向する
参照導体面との間のトンネル電流の測定回路と、測定試
料と第１の探針との間の位置関係を変化させる機械的走
査手段とを持つ原子間力顕微鏡であって、第１の探針と
第２の探針は該カンチレバーと一体に形成され、少なく
とも一方が物理的成膜法を用いて作製されていることを
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）第１のの探針と、第１の探針と試料との相互作用
力を反映して変位するカンチレバー、該カンチレバーの
変位を測定する第２の探針とを一体に形成したことを特
徴とする原子間力顕微鏡探針。
（３）該二つの探針の少なくともいずれかは、物理的成
膜法を用いて作製されていることを特徴とする請求項（
２）に記載の原子間力顕微鏡探針。
（４）該第２の探針は第１の探針とカンチレバーに対し
て対称的な位置もしくはカンチレバーの支点側に近いに
あることを特徴とする請求項（２）及び請求項（３）に
記載の原子間力顕微鏡探針。