JPH03296612A - 原子間力顕微鏡 - Google Patents
原子間力顕微鏡Info
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- JPH03296612A JPH03296612A JP10090490A JP10090490A JPH03296612A JP H03296612 A JPH03296612 A JP H03296612A JP 10090490 A JP10090490 A JP 10090490A JP 10090490 A JP10090490 A JP 10090490A JP H03296612 A JPH03296612 A JP H03296612A
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Landscapes
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
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。
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〕
本発明は物質量に働く原子間力を微小なばね要素で変位
に変換し、その変位をレーザー光をばね要素に照射しそ
の反射光の位置ずれとして光検出素子で検出して制御信
号とする方式の原子間力顕微鏡に関する。
に変換し、その変位をレーザー光をばね要素に照射しそ
の反射光の位置ずれとして光検出素子で検出して制御信
号とする方式の原子間力顕微鏡に関する。
本発明は物質量に働く原子間力を微小なばね要素で変位
に変換し、その変位をレーザー光をばね要素に照射しそ
の反射光の位置ずれとして光検出素子で検出して制御信
号とする方式の原子間力顕微鏡において、微小ばね要素
及び変位検出手段を微動素子に取り付ける構成とし、試
料の大きさに対する制限を緩和し、使い勝手の良い原子
間力顕微鏡を提供するものである。
に変換し、その変位をレーザー光をばね要素に照射しそ
の反射光の位置ずれとして光検出素子で検出して制御信
号とする方式の原子間力顕微鏡において、微小ばね要素
及び変位検出手段を微動素子に取り付ける構成とし、試
料の大きさに対する制限を緩和し、使い勝手の良い原子
間力顕微鏡を提供するものである。
原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ ＦｏｒｃｅＭｉｃｒ
ｏｓｃｏｐｅ）はＳＴＭの発明者であるＧ、Ｂ１ｎｎ１
ｇらによって考案（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ
Ｌｅｔｔｅｒｓ ｖｏｌ。
ｏｓｃｏｐｅ）はＳＴＭの発明者であるＧ、Ｂ１ｎｎ１
ｇらによって考案（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ
Ｌｅｔｔｅｒｓ ｖｏｌ。
５６ ｐ９３０ １９８６）されて以来、新規な絶縁
性物質の表面形状観察手段として期待され、研究が進め
られている。その原理は先端を充分に鋭くした検出チッ
プと試料間に働く原子間力を、前記検出チップが取り付
けられているばね要素の変位として測定し、前記ばね要
素の変位量を一定に保ちながら前記試料表面を走査し、
前記ばね要素の変位量を一定に保つための制御信号を形
状情報として、前記試料表面の形状を測定するものであ
る。
性物質の表面形状観察手段として期待され、研究が進め
られている。その原理は先端を充分に鋭くした検出チッ
プと試料間に働く原子間力を、前記検出チップが取り付
けられているばね要素の変位として測定し、前記ばね要
素の変位量を一定に保ちながら前記試料表面を走査し、
前記ばね要素の変位量を一定に保つための制御信号を形
状情報として、前記試料表面の形状を測定するものであ
る。
ばね要素の変位検出手段としてはトンネル電流を用いる
ＳＴＭ方式と光学的方式に大別される。
ＳＴＭ方式と光学的方式に大別される。
ＳＴＭ方式は二つの導体を数ナノメ数オングストローム
ロームの距離に近付は電圧を印加すると電流が流れ始め
るいわゆるトンネル現象を利用するものである。ばね要
素に導電性を付与しておき、鋭利な金属針をばね要素に
１ナノメ一タ程度まで接近させてトンネル電流を流し、
その電流値をばね要素の変位信号として制御を行う。
ロームの距離に近付は電圧を印加すると電流が流れ始め
るいわゆるトンネル現象を利用するものである。ばね要
素に導電性を付与しておき、鋭利な金属針をばね要素に
１ナノメ一タ程度まで接近させてトンネル電流を流し、
その電流値をばね要素の変位信号として制御を行う。
光学的方式にはいわゆる干渉法そのものを使った例（Ｊ
ｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｖａｃｕｕｍ ５ｃｉｅｎ
ｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ａ６（２）ｐ２６６
Ｍａｒ／Ａｐｒ １９８８）や、レーザー光をば
ね要素に照射しその反射光の位置ずれを光検出素子で検
出して変位信号とする、光てこ方式と呼ばれる例（Ｊｏ
ｕｒｎａｌ ｏｆＡｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ
６５（１）、１ ｐ１６４ Ｊａｎｕａｒｙ
１９８９）が報告されている。
ｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｖａｃｕｕｍ ５ｃｉｅｎ
ｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ａ６（２）ｐ２６６
Ｍａｒ／Ａｐｒ １９８８）や、レーザー光をば
ね要素に照射しその反射光の位置ずれを光検出素子で検
出して変位信号とする、光てこ方式と呼ばれる例（Ｊｏ
ｕｒｎａｌ ｏｆＡｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ
６５（１）、１ ｐ１６４ Ｊａｎｕａｒｙ
１９８９）が報告されている。
第３図に原子間力顕微鏡の動作原理を示す、第３図＋８
）は原子間距離に対する原子間力の関係を示す概念図で
ある。二つの原子を数ナノメーターないし数オングスト
ロームの距離に近付けていくと、まず原子間距離のマイ
ナス７乗に比例したいわゆるファンデルワールス力が互
いに引き付は合う力として発生する。更に近付けるとい
わゆる交換斥力が急激に立ち上がる。第３図（ｂｌはば
ね要素３の変位している様子を示す概念図である。原子
間力顕微鏡は図中の変位量Ｘが一定となるように試料１
を２方向に調整しつつ、試料面内方向の走査を行い、試
料表面の形状データを得る。いわゆる触針式粗さ計との
違いとしては、測定中のセンサの圧力が粗さ針の場合数
ミリグラムであるのに対し、原子間力顕微鏡の場合マイ
クログラム以下と小さいこと、原子間力顕微鏡は粗さ計
よりも観察範囲は狭いが分解能が非常に高いことなどが
挙げられる。
）は原子間距離に対する原子間力の関係を示す概念図で
ある。二つの原子を数ナノメーターないし数オングスト
ロームの距離に近付けていくと、まず原子間距離のマイ
ナス７乗に比例したいわゆるファンデルワールス力が互
いに引き付は合う力として発生する。更に近付けるとい
わゆる交換斥力が急激に立ち上がる。第３図（ｂｌはば
ね要素３の変位している様子を示す概念図である。原子
間力顕微鏡は図中の変位量Ｘが一定となるように試料１
を２方向に調整しつつ、試料面内方向の走査を行い、試
料表面の形状データを得る。いわゆる触針式粗さ計との
違いとしては、測定中のセンサの圧力が粗さ針の場合数
ミリグラムであるのに対し、原子間力顕微鏡の場合マイ
クログラム以下と小さいこと、原子間力顕微鏡は粗さ計
よりも観察範囲は狭いが分解能が非常に高いことなどが
挙げられる。
第２図は従来の光てこ方式の原子間力顕微鏡の構成を示
す概略図である。ばね要素３には試料１との相互作用を
微小な範囲に限定するための検出チップ２が取り付けら
れ、微小な力検出器を構成している。試料１は微動素子
４に固定され、３次元に駆動される。微動素子４により
試料１はばね要素３に対し、試料平面に垂直な方向の距
離を調整されつつ試料平面方向に高分解能で走査される
。
す概略図である。ばね要素３には試料１との相互作用を
微小な範囲に限定するための検出チップ２が取り付けら
れ、微小な力検出器を構成している。試料１は微動素子
４に固定され、３次元に駆動される。微動素子４により
試料１はばね要素３に対し、試料平面に垂直な方向の距
離を調整されつつ試料平面方向に高分解能で走査される
。
ナノメーター以下の微小な移動量が要求されるため、微
動素子として圧電素子が使われる例が多い。
動素子として圧電素子が使われる例が多い。
微動素子４は試料１とばね要素３の粗い位置決めを行う
ための粗動機構５に固定される。
ための粗動機構５に固定される。
ばね要素３の裏面側にばばね要素３の変位量を検出する
ための変位検出系が設けられている。まず半導体レーザ
６から出射された光はレンズａ８によりばね要素３の裏
面先端部に集光される。ばね要素３は反射率を上げるた
めのコーティングが施されている０反射された光はレン
ズｂ９によって集光され、分割型の光検出素子１）上に
集光される。光検出素子として例えば２分割型のフォト
ディテクター１）−ａを使用した場合においては、あら
かじめ分割された素子に均等に光が入射する様に調整し
ておき、２分割素子の差分信号を取る。
ための変位検出系が設けられている。まず半導体レーザ
６から出射された光はレンズａ８によりばね要素３の裏
面先端部に集光される。ばね要素３は反射率を上げるた
めのコーティングが施されている０反射された光はレン
ズｂ９によって集光され、分割型の光検出素子１）上に
集光される。光検出素子として例えば２分割型のフォト
ディテクター１）−ａを使用した場合においては、あら
かじめ分割された素子に均等に光が入射する様に調整し
ておき、２分割素子の差分信号を取る。
ばね要素３が試料１に押されて傾（とき、フォトディテ
クター１）−ａの受光面上の光スポットもばね要素３の
傾きに比例して移動し、分割素子の出力は一方は増加し
もう一つは減小する。結果としてその差分出力はばね要
素３の傾き、即ち変位に比例したものとなる。この変位
信号はサーボ系に取り込まれ微動素子４及び粗動機構５
への制御信号に変換され、試料１とばね要素３の距離が
一定となるよう制御される。
クター１）−ａの受光面上の光スポットもばね要素３の
傾きに比例して移動し、分割素子の出力は一方は増加し
もう一つは減小する。結果としてその差分出力はばね要
素３の傾き、即ち変位に比例したものとなる。この変位
信号はサーボ系に取り込まれ微動素子４及び粗動機構５
への制御信号に変換され、試料１とばね要素３の距離が
一定となるよう制御される。
（発明が解決しようとする課題〕
しかしながら従来の光てこ方式の原子間力顕微鏡では試
料を微動素子４により駆動する方式を取っているため、
大きな試料を観察しようとすると微動素子の共振周波数
の低下を招き、観察が困難であった。また微動素子先端
小さいもの、例えば円筒型の圧電素子を使うときは直径
が最大でも３０ミリ程度で物理的にも試料取り付けが困
難であり、例えば半導体のウェハーや光デイスク基板を
観察するためには試料を裁断する必要があった。そのた
め原子間力顕微鏡の持つ非破壊観察という利点を生かす
ことが出来ないという欠点があった。
料を微動素子４により駆動する方式を取っているため、
大きな試料を観察しようとすると微動素子の共振周波数
の低下を招き、観察が困難であった。また微動素子先端
小さいもの、例えば円筒型の圧電素子を使うときは直径
が最大でも３０ミリ程度で物理的にも試料取り付けが困
難であり、例えば半導体のウェハーや光デイスク基板を
観察するためには試料を裁断する必要があった。そのた
め原子間力顕微鏡の持つ非破壊観察という利点を生かす
ことが出来ないという欠点があった。
また試料を微動素子により駆動する方式であるため、微
動素子の負荷質量が測定の度に変動することになり、制
御特性や測定スピードが一定しないという問題点があっ
た。
動素子の負荷質量が測定の度に変動することになり、制
御特性や測定スピードが一定しないという問題点があっ
た。
（課題を解決するための手段〕
上記問題点を解決するため本発明では、ばね要素及び変
位検出手段を微動素子に取り付ける構成とした。光源は
微動素子の外部に設け、光ファイバーによりレーザー光
を誘導し、微動素子先端部にはレンズ、ばね要素、ミラ
ー、光検出素子よりなる光てこ方式の変位検出系を構成
することとした。
位検出手段を微動素子に取り付ける構成とした。光源は
微動素子の外部に設け、光ファイバーによりレーザー光
を誘導し、微動素子先端部にはレンズ、ばね要素、ミラ
ー、光検出素子よりなる光てこ方式の変位検出系を構成
することとした。
上記の構成とすることにより、試料を微動素子から切り
放すことが可能となる。試料を粗動機構上に配置する場
合、粗動機構は一般にパルスステージなどが用いられ、
微動素子として通常用いられる圧電素子よりも搭載でき
る重量が数桁大きいため、試料のサイズや重量に対する
制約は大きく軽減される。粗動・微動機構を一体の構成
とした場合においてもその効果は同様である。
放すことが可能となる。試料を粗動機構上に配置する場
合、粗動機構は一般にパルスステージなどが用いられ、
微動素子として通常用いられる圧電素子よりも搭載でき
る重量が数桁大きいため、試料のサイズや重量に対する
制約は大きく軽減される。粗動・微動機構を一体の構成
とした場合においてもその効果は同様である。
更に試料周辺の構成の自由度が向上するため、例えば搬
送機構と組み合わせて試料の自動交換を行う等、設計自
由度が向上する。
送機構と組み合わせて試料の自動交換を行う等、設計自
由度が向上する。
また微動素子の負荷は常に一定となり、制御系の安定化
や装置全体の特性に対する保証が得られることになるの
である。
や装置全体の特性に対する保証が得られることになるの
である。
以下に本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
第１図（ａ）に本発明に係る原子間力顕微鏡の機構部の
１実施例を示す、電装系の構成は従来の原子間力顕微鏡
と同様である。ばね要素３、光検出素子１）などがフレ
ームＦに設けられて構成された変位検出系Ａが微動素子
先端に取り付けられ、試料１は粗動機構５に固定される
。
１実施例を示す、電装系の構成は従来の原子間力顕微鏡
と同様である。ばね要素３、光検出素子１）などがフレ
ームＦに設けられて構成された変位検出系Ａが微動素子
先端に取り付けられ、試料１は粗動機構５に固定される
。
圧電素子からなる微動素子４に対する負荷を軽減するた
め半導体レーザ６はフレーム１４に設け、レーザ光は光
ファイバー７によって微動素子先端に導く、ばね要ｓ３
は支持部材１２にばね１３によって押圧され、レンズａ
８からの出射光軸に対し傾いて固定される。ファイバー
７からの光はレンズａ８によりばね要素先端部に集光さ
れ、その反射光はミラー１０を介して２分割のフォトデ
ィテクター１）−８に入射される。このように構成され
た変位検出系は機能的には従来の光でこ方式の原子間力
顕微鏡と全く同じである。ただし微動素子に対する負荷
は従来の方式よりも若干大きくなり観察スピードの多少
の低下が発生するが、実用上問題になるレベルではない
。
め半導体レーザ６はフレーム１４に設け、レーザ光は光
ファイバー７によって微動素子先端に導く、ばね要ｓ３
は支持部材１２にばね１３によって押圧され、レンズａ
８からの出射光軸に対し傾いて固定される。ファイバー
７からの光はレンズａ８によりばね要素先端部に集光さ
れ、その反射光はミラー１０を介して２分割のフォトデ
ィテクター１）−８に入射される。このように構成され
た変位検出系は機能的には従来の光でこ方式の原子間力
顕微鏡と全く同じである。ただし微動素子に対する負荷
は従来の方式よりも若干大きくなり観察スピードの多少
の低下が発生するが、実用上問題になるレベルではない
。
微動素子部に隣接して金属顕微鏡１５が設けられている
。粗動機構５ばｘｙｚ３軸方向のパルスステージで構成
され、試料１を金属顕微鏡１５と原子間力顕微鏡との間
で搬送する。このような構成により金属顕微鏡で予め大
まかな観察をした後より詳細に観察したい部分を原子間
力顕微鏡で見るということが可能となる。
。粗動機構５ばｘｙｚ３軸方向のパルスステージで構成
され、試料１を金属顕微鏡１５と原子間力顕微鏡との間
で搬送する。このような構成により金属顕微鏡で予め大
まかな観察をした後より詳細に観察したい部分を原子間
力顕微鏡で見るということが可能となる。
第１図山）に本発明に係る原子間力ｉＪｉ微鏡の機構部
の別の実施例を示す、ばね要素３、光検出素子１）など
により構成された変位検出系が微動素子先端に設けられ
、更に微動素子４は粗動機構５に取り付けられている。
の別の実施例を示す、ばね要素３、光検出素子１）など
により構成された変位検出系が微動素子先端に設けられ
、更に微動素子４は粗動機構５に取り付けられている。
試料１は搬送機構１６により試料ストッカー１７から自
動供給され、連続測定が行われる。
動供給され、連続測定が行われる。
上記のように本発明によれば、ばね要素と変位検出系を
微動素子側に配置することにより、試料の大きさに対す
る制限を緩和し、半導体のウェハーや光デイスク基板等
をそのまま観察できるようになり、原子間力顕微鏡の持
つ非破壊観察という利点を佳かすことができ、試料準備
が容易となる。
微動素子側に配置することにより、試料の大きさに対す
る制限を緩和し、半導体のウェハーや光デイスク基板等
をそのまま観察できるようになり、原子間力顕微鏡の持
つ非破壊観察という利点を佳かすことができ、試料準備
が容易となる。
また金属顕微鏡や搬送機構と組み合わせることが可能と
なり、機能の複合化された使い勝手の良い原子間力顕微
鏡が得られる。
なり、機能の複合化された使い勝手の良い原子間力顕微
鏡が得られる。
更には微動素子に加えられる負荷が常に一定となるため
、制御系に対する悪影響を軽減することができるのであ
る。
、制御系に対する悪影響を軽減することができるのであ
る。
２ ・ ・
３ ・ ・
４ ・ ・
５ ・ ・
６ ・ ・
７ ・ ・
８ ・ ・
９ ・ ・
１０・ ・
１）・ ・
１）ａ ・
検出チップ
ばね要素
微動素子
粗動機構
半導体レーザ
光ファイバー
レンズａ
レンズｂ
ミラー
光検出素子
フォトディテクター
第１図（ａｌ、 （ｂ）は本発明にかかる原子間力顕微
鏡のそれぞれ別の実施例を示すブロック図、第２図は従
来の光てこ方式の原子間力顕微鏡の構成を示すブロック
図、第３図は原子間力顕微鏡の動作原理を示す概念図で
ある。 １・・・試料
鏡のそれぞれ別の実施例を示すブロック図、第２図は従
来の光てこ方式の原子間力顕微鏡の構成を示すブロック
図、第３図は原子間力顕微鏡の動作原理を示す概念図で
ある。 １・・・試料
Claims (3)
- （１）試料表面より受ける原子間力を変位に変換するば
ね要素と、このばね要素にレーザー光を照射しその反射
光を位置ずれとして光検出素子にて検出する変位検出手
段と、試料とばね要素を３次元的に相対運動させる粗動
機構及び微動素子と、試料とばね要素間を一定の距離に
保つ制御手段と、装置から振動を除去する除振機構と、
装置全体を制御するコンピュータを有し、試料表面の形
状を観察する原子間力顕微鏡において、 前記ばね要素と前記変位検出手段を前記微動素子側に配
置したことを特徴とする原子間力顕微鏡。 - （２）第一項において、試料が粗動機構上に配置される
構成であることを特徴とする原子間力顕微鏡。 - （３）第一項において、微動素子が粗動機構上に配置さ
れる構成であることを特徴とする原子間力顕微鏡。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2100904A JP3069609B2 (ja) | 1990-04-17 | 1990-04-17 | 原子間力顕微鏡 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2100904A JP3069609B2 (ja) | 1990-04-17 | 1990-04-17 | 原子間力顕微鏡 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03296612A true JPH03296612A (ja) | 1991-12-27 |
| JP3069609B2 JP3069609B2 (ja) | 2000-07-24 |
Family
ID=14286334
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2100904A Expired - Fee Related JP3069609B2 (ja) | 1990-04-17 | 1990-04-17 | 原子間力顕微鏡 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3069609B2 (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5408094A (en) * | 1992-05-07 | 1995-04-18 | Olympus Optical Co., Ltd. | Atomic force microscope with light beam emission at predetermined angle |
| US5689063A (en) * | 1993-07-15 | 1997-11-18 | Nikon Corporation | Atomic force microscope using cantilever attached to optical microscope |
| JP2005061877A (ja) * | 2003-08-19 | 2005-03-10 | Sii Nanotechnology Inc | 防音ボックスおよびそれを用いたプローブ顕微鏡 |
| JP2016017862A (ja) * | 2014-07-09 | 2016-02-01 | 株式会社日立ハイテクサイエンス | ３次元微動装置 |
-
1990
- 1990-04-17 JP JP2100904A patent/JP3069609B2/ja not_active Expired - Fee Related
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