JPH04102008A - 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 本発明は、原子間力を利用して測定対象物の表面形状を
測定する原子間力顕微鏡の改良に関するものである。

従来の技術 原子間力を利用して表面形状を測定する原子間力顕微鏡
の一種に、例えば「日経メカニカル　１９９０１−８Ｊ
（日経ＢＰ社刊）の第５５頁乃至第５６頁に記載されて
いるように、カンチレバーの先端部に設けられた探針を
測定対象物の表面に近接させた状態で、その探針がその
表面に対して接近離間するようにカンチレバーを振動す
せつつ、その探針が表面上を移動するようにカンチレバ
ーと測定対象物とを相対移動させるとともにカンチレバ
ーの振動周波数を測定し、その探針と表面との間の距離
変化に伴う原子間力変化に応じてカンチレバーの振動周
波数が変化することに基づいて、その表面の凹凸形状を
測定するようにしたものがある。

より具体的に説明すると、上記探針は直径数百μｍの一
ッケル線を電解研磨したものであり、ニッケル箔で作製
した厚さ０．０１ｍｍ、長さ１．４ｍｍ、幅０．９ｍｍ
のカンチレバーの先端に接着されている。また、そのカ
ンチレバーは、強度変調を加えたレーザダイオードの光
が照射されることにより、フォトサーマル振動させられ
るようになっている。そして、上記探針と測定対象物と
の間には、その離間距離に応じて最大ｌＸｌ０−９Ｎ程
度の原子間力の引力が作用させられ、この原子間力が表
面の凹凸形状に応じて変化させられることにより、カン
チレバーの振動周波数も変化させられるため、この振動
周波数の変化から表面の凹凸形状を測定することができ
るのである。

発明が解決しようとする課題 しかしながら、上記電解研磨による探針の製造方法では
、その先端の曲率を大きくすること、すなわち尖鋭化す
ることが困難で、必ずしも充分に満足し得る分解能が得
られない一方、極小さな探針をカンチレバーに接着する
際に接着剤が探針の先端に付着することがあるなど、そ
の製作が面倒で製造効率が良くなかった。また、カンチ
レバーをフォトサーマル振動させるようになっているた
め、その振動周波数が不安定で必ずしも高い測定精度が
得られないという問題もあった。

本発明は以上の事情を背景として為されたもので、その
目的とするところは、探針およびカンチレバーの製作が
容易で且つ探針の先端を一層尖鋭化させることができ、
しかも安定した振動周波数特性が得られるようにするこ
とにある。

課題を解決するための手段 かかる目的を達成するために、本発明は、カンチレバー
の先端部に設けられた探針を測定対象物の表面に近接さ
せた状態で、その探針がその表面に対して接近離間する
ようにそのカンチレバーを振動させつつ、その探針がそ
の表面上を移動するようにそのカンチレバーと測定対象
物とを相対移動させるとともにそのカンチレバーの振動
周波数を測定し、その探針と表面との間の距離変化に伴
う原子間力変化に応じてそのカンチレバーの振動周波数
が変化することに基づいて、その表面の凹凸形状を測定
する原子間力顕微鏡において、前記カンチレバーと前記
探針とが、α水晶をエツチング加工した水晶振動子にて
一体に構成されていることを特徴とする。

作用および発明の効果 このような原子間力顕微鏡においては、カンチレバーと
探針とがα水晶をエツチング加工した水晶振動子にて一
体に構成されているため、それ等を別体に製作して接着
する場合に比較してその製作が容易になるとともに、α
水晶のエンチング異方性により探針の先端を一層尖鋭化
させることが可能で、測定分解能を大幅に向上させるこ
とができるのである。また、水晶振動子にてカンチレバ
ーが構成されているため、所定周波数の交番電圧を印加
することにより安定した振動周波数特性が得られるとと
もに経時変化も少なく、ニッケル箔等にて作製したカン
チレバーをフォトサーマル振動させる場合に比較して測
定精度が向上する。

実施例 以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。

第１図において、Ｈｅ−Ｎｅレーザ等のレーザ光源１０
から出射された周波数がｆ。の直線偏光レーザ光りは、
戻り光がレーザ光ａ１０に入らないようにするアイソレ
ータ１２を通過したのちミラー１４によって下方へ反射
され、偏光ビームスプリンタ１６に入射させられる。レ
ーザ光源１０の姿勢は、レーザ光りの偏波面（電気ヘク
トルの振動面）が紙面に対して４５°の角度で傾斜する
ように設定されており、そのレーザ光りのうち偏波面が
紙面と平行なＰ偏光成分は計測ビームＬＨとして上記偏
光ビームスプリッタ１６を通過させられ、偏波面が紙面
と垂直なＳ偏光成分は参照ビームＬ、として偏光ビーム
スプリッタ１６により反射される。

偏光ビームスプリンタ１６を透過した計測ビームＬ、は
、音響光学変調器１８により十ｆ１の周波数シフトを受
けて周波数がｆ０＋ｆ、とされた後、偏光ビームスプリ
ッタ２０に入射させられる。

また、偏光ビームスプリッタ１６で反射された参照ビー
ムＬ＋ｔはミラー２２によって更に反射され、音響光学
変調器２４により十ｆ２の周波数シフトを受けて周波数
がｆｏ＋ｆｚとされた後、ミラー２６で反射されて偏光
ビームスプリッタ２０に入射させられる。

偏光ビームスプリッタ２０により重ね合わされた計測ビ
ームＬＨおよび参照ビームＬＩｌは、その後、偏光ビー
ムスプリンタ２８により再び偏波面の向きによって分離
され、Ｓ偏光成分から成る参照ビームＬ７は偏光ビーム
スプリッタ２８により反射される。偏光ビームスプリッ
タ２８で反射された参照ビームＬ、ｌは、１７４波長板
３０を介してミラー３２に照射され、そのミラー３２に
より反射されて再び１７４波長板３０を透過させられる
ことによりＰ偏光とされる。そして、このＰ偏光とされ
た参照ビームＬＲは、上記偏光ビームスプリッタ２８を
透過させられ、検光子３４を通過した後光センサ３６に
照射される。

また、Ｐ偏光成分から成る計測ビームＬ、は、上記偏光
ビームスプリッタ２８を通過させられ、１ノ４波長板３
８を経て対物レンズ４０により水晶振動子４２のミラー
４４に照射される。水晶振動子４２は、α水晶をエツチ
ング加工することによって作製され、カンチレバー４６
とそのカンチレバー４６の先端下面に下方へ突き出して
設けられた探針４８とを一体に備えている。カンチレバ
ー４６の長さは２ｍｍ程度２幅は１．５ｍｍ程度、厚さ
は０．０１ｍｍ程度であり、探針４８の長さは０゜１μ
ｍ程度、先端の曲率半径は０．０１μｍ程度である。

上記カンチレバー４６の上下両面には、蒸着後メツキを
施すことにより一対の電極５０．５２が設けられている
。かかる電極５０．５２には発振回路５４が接続され、
水晶振動子４２の共振周波数で交番電圧が印加されるよ
うになっており、これにより、カンチレバー４６は図の
右端部を支持点として左端部が上下変位するように振動
させられ、重力以外の外力が作用していない状態におい
て、例えば周波数が１ｋＨｚ程度、探針４８が設けられ
た部位における振幅が１０ｎｍ程度で振動させられる。

前記対物レンズ４０は水晶振動子４２に一体的に取り付
けられており、計測ビームトイは、水晶振動子４２の振
動に拘らずその対物レンズ４０によってミラー４４に集
光させられるとともに、水晶振動子４２の振動に対応し
て光路長が変化させられることにより周波数変調される
。

上記水晶振動子４２の下方には、略水平なＸＹ力方向よ
びそれ等と垂直で上記水晶振動子４２に照射される計測
ビームＬ、と平行なＺ方向の移動可能に載置台５６が配
設され、表面形状を測定すべき測定対象物５８が位置固
定に載置されるようになっている。載置台５６は、昇降
信号ＺＳに従ってＰＺＴ圧電変位素子６０により上下方
向（Ｚ方向）へ微動させられるとともに、走査信号ＳＳ
に従ってＰＺＴ圧電変位素子６２により水平面（Ｘ−Ｙ
平面）内を微動させられるようになっている。また、か
かる載置台５６は、測定対象物５８の着脱に際して図示
しないＤＣモータにより上下移動させられるようになっ
ている。

そして、前記ミラー４４で反射された計測ビームＬ１．
ｌは、対物レンズ４０を経て再び１７４波長板３８を通
過させられることにより、往路に対して偏波面が９０°
回転した直線偏光すなわちＳ偏光とされ、偏光ビームス
プリンタ２８によって反射されるとともに、検光子３４
により前記参照ビームＬ、ｌと干渉させられた後光セン
サ３６に照射される。光センサ３６においては、周波数
変調された計測ビームＬ、と参照ビームＬ、との干渉に
より、搬送波周波数がそれ等の周波数の差すなわち（ｒ
ｏ十ｆ、　）−Ｃｒｏ　＋ｆｚ　）　ｌ＝ｌ　ｒｆＺ　
　ｌで、変調周波数が水晶振動子４２の振動周波数であ
るビート信号ＢＳが出力される。前記周波数シフ）＋ｆ
ｌが例えば８０ＭＨｚで周波数シフト＋ｆ２が８０．１
ＭＨｚの場合には、上記搬送波周波数は１００ｋＨｚと
なる。

上記ビート信号ＢＳは測定制御装置６４に供給される。

測定制御装置６４は、バンドパスフィルタにより振動や
大気のゆらぎ等による低周波数のノイズをビート信号Ｂ
Ｓから除去した後、周波数復調器により変調波すなわち
水晶振動子４２の振動に対応する成分を取り出すととも
に、前記昇降信号ＺＳおよび走査信号ｓｓを出方して測
定対象物５８を移動させることにより、その測定対象物
５８の表面６６の凹凸形状を測定して表示器６８に表示
する。

この凹凸形状測定の作動を具体的に説明すると、先ず、
図示しないＤＣモータにより載置台５６を下降させた状
態において測定対象物５８を載置し、その後、探針４８
と表面６６とが干渉しない予め定められた初期位置まで
上昇させる。その状態で発振回路５４により交番電圧を
水晶振動子４２に印加して振動させるとともに、レーザ
光源１０からレーザ光りを出射させてビート信号ＢＳを
取り込み、そのビート信号ＢＳに基づいて水晶振動子４
２の振動を検出する。そして、その水晶振動子４２の振
動周波数が予め定められた一定値ｆａとなるように、昇
降信号ＺＳを出力してＰＺＴ圧電変位素子６０により載
置台５６の高さを調整する。

すなわち、載置台５６に載置された測定対象物５８が探
針４８に接近させられると、それ等の間に原子間力によ
る引力が作用させられ、その原子間力は測定対象物５８
の表面６６と探針４８との距離に応じて変化させられる
一方、水晶振動子４２の振動周波数はこの原子間力に応
じて変化させられるため、ビート信号ＢＳから検出され
る水晶振動子４２の振動周波数に基づいて、所定の原子
間力が作用する高さ位置に測定対象物５８を位置させる
のである。

次に、上記原子間力が作用している状態において走査信
号ＳＳを出力し、水平なχ−Ｙ千面内において予め定め
られた軌跡に従ってＰＺＴ圧電変位素子６２により測定
対象物５８を移動させるとともに、ビート信号ＢＳから
検出される水晶振動子４２の振動周波数が前記一定値ｆ
Ａに維持されるように、昇降信号ＺＳを出力してＰＺＴ
圧電変位素子６０により測定対象物５８の高さを調整す
る。すなわち、測定対象物５８を水平移動させると、そ
の表面６６の凹凸形状に応して探針４８との距離が変化
し、それに伴って原子間力、更には水晶振動子４２の振
動周波数が変化させられるが、この振動周波数が変化し
ないように、換言すれば表面６６と探針４８との距離が
変化しないように測定対象物５８を昇降させるのである
。この時の測定対象物５８の上下移動量は表面６６の凹
凸形状に対応するため、ＰＺＴ圧電変位素子６０に出力
される昇降信号ＺＳの電圧変化から測定対象物５８の上
下移動量、すなわち表面６６の凹凸形状が求められて表
示器６８に表示される。

ここで、このような本実施例の原子間力顕微鏡において
は、前記カンチレバー４６と探針４８とがα水晶をエツ
チング加工した水晶振動子４２にて一体に構成されてい
るため、それ等を別体に製作して接着する場合に比較し
てその製作が容易になるとともに、α水晶のエツチング
異方性により探針４８の先端を一層尖鋭化させることが
可能で、測定分解能が大幅に向上させられる。

また、水晶振動子４２によってカンナレバー４６が構成
されているため、発振回路５４から所定周波数の交番電
圧が印加されることにより安定した振動周波数特性が得
られるとともに経時変化も少なく、ニッケル箔等にて作
製したカンチレバーをフォトサーマル振動させる場合に
比較して測定精度が向上する。

更に、本実施例では光ヘテロダイン干渉を利用して水晶
振動子４２の振動を検出するようになっているため、水
晶振動子４２の振幅が小さい場合でも優れた怒度でその
振動周波数を高分解能、高精度測定することができる。

これにより、水晶振動子４２の使用による分解能や測定
精度の向上と相俟って原子間力顕微鏡全体としての測定
分解能や測定精度が高められ、表面６６の一層微細な凹
凸形状がより高い精度で測定されるようになるのである
。

以上、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明し
たが、本発明は他の態様で実施することもできる。

例えば、前記実施例では音響光学変調器１８により計測
ビームＬｘを＋ｆ１だけ周波数シフトさせるとともに、
音響光学変調器２４により参照ビームＬ、ｌを＋ｆ２だ
け周波数シフトさせるようになっているが、第２図に示
されているように音響光学変調器２４を音響光学変調器
１８と偏光ビームスプリンタ２０との間に配設し、計測
ビームし、のみを＋ｆＩ　　ｆｚだけ周波数シフトさせ
るようにしても、前記実施例と実質的に同じである。

なお、逆に参照ビームＬＲのみを周波数シフトさせたり
、横ゼーマンレーザを用いて周波数が異なる計測ビーム
および参照ビームを直接取り出すようにしたりしても差
支えない。

また、前記実施例では光ヘテロダイン干渉によって水晶
振動子４２の振動を検出するようになっているが、光ホ
モダイン干渉を用いたり、ミラー４４に対して光を斜め
に照射してその反射光を検出し、ミラーの振動に伴う反
射光の変位から振動周波数を測定したりするなど、他の
振動検出手段を採用することも可能である。

また、前記実施例では水晶振動子４２に対物レンズ４０
およびミラー４４が設けられていたが、コーナキューブ
プリズムを用いたり、対物レンズ４０を省略してミラー
４４のみとしたりすることもできる。

また、前記実施例では水晶振動子４２の振動周波数が一
定値ｆＡとなるように測定対象物５８を上下移動させる
ようになっているが、水晶振動子４２の振動周波数から
予め定められたデータマツプや演算式等を用いて表面６
６の凹凸寸法を求めることも可能である。

その他−々例示はしないが、本発明は当業者の知識に基
づいて種々の変更、改良を加えた態様で実施することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である原子間力顕微鏡の基本
的構成を説明する図である。第２回は本発明の他の実施
例を説明する構成図で、第１図に相当する図である。 ４２：水晶振動子　　　４６：カンチレハー４８：探針
　　　　　　５８：測定対象物６６：表面

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 カンチレバーの先端部に設けられた探針を測定対象物の
   表面に近接させた状態で、該探針が該表面に対して接近
   離間するように該カンチレバーを振動させつつ、該探針
   が該表面上を移動するように該カンチレバーと該測定対
   象物とを相対移動させるとともに該カンチレバーの振動
   周波数を測定し、該探針と該表面との間の距離変化に伴
   う原子間力変化に応じて該カンチレバーの振動周波数が
   変化することに基づいて、該表面の凹凸形状を測定する
   原子間力顕微鏡において、 前記カンチレバーと前記探針とが、α水晶をエッチング
   加工した水晶振動子にて一体に構成されていることを特
   徴とする原子間力顕微鏡。