JPH04285810A - 表面評価装置および表面加工装置 - 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】

［発明の目的］

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、固体表面微細構造の観
察を行う表面評価装置と、固体表面の微細構造を加工す
る表面加工装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体表面の１つ１つの原子を観察する表
面評価装置として、原子間力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ　Ｆ
ｏｒｃｅ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ　；以下「ＡＦＭ」と
する。）が開発された。このＡＦＭは、先端が尖った深
針を有するカンチレバーを、深針が試料表面の近傍に位
置するように設置したときの、カンチレバーの変位（反
り）を測定することにより、試料表面と深針との間に働
く力を測定する。深針を試料表面に対し、相対的に走査
させながらカンチレバーの変位を測定すれば、試料表面
の形状（構造）を三次元で測定することになる。

【０００３】また、表面の所望の位置に深針を設置し、
深針を試料表面に衝突させたり、深針−試料間にパルス
電圧を印加することなどによって、試料表面に原子スケ
ールの凹凸を加工できる表面加工装置も用いられている
。

【０００４】ＡＦＭでは、カンチレバーの変位を、発光
装置からカンチレバーの光反射部に、光を照射し、光反
射部で反射された光の測定により検出する。以下にその
原理を説明する。図８は、従来用いられている表面測定
装置または表面加工装置の一例を示す模式図である。

【０００５】表面測定装置または表面加工装置は、基本
的には、カンチレバー５と、発光装置９と、光検出装置
１０と、図２には示していないが、試料８またはカンチ
レバー５の駆動手段からなる。カンチレバー５の試料８
側の面の先端には深針６が設けられている。また、試料
８またはカンチレバー５の駆動手段は、深針６を相対的
に試料８の表面を走査させる。その場合カンチレバーを
試料に対して駆動させるか、または試料をカンチレバー
に対して駆動させるかのどちらかである。カンチレバー
の試料の反対側の面は、光を反射する反射面７である。 光検出装置１０は、光検出素子が一次元的に複数個並べ
られたものが一般的に使用される。

【０００６】発光装置９からカンチレバー５に照射され
た光は、反射面７で反射される。深針６と試料８との間
に力が働かない場合の反射光は、Ａの方向に反射される
。深針６と試料８との間に反発力が働いて、カンチレバ
ー１が試料から遠ざかる方法に反った場合、反射光は、
Ｂのように反射される。また、深針６と試料８との間に
引力が働いて、カンチレバー５が試料に近付く方向に反
った場合、反射光はＣの方向に反射される。

【０００７】これらの反射光の変位を光検出装置１０で
検出し、かつ、深針６を試料８の表面を相対的に走査さ
せることによって、試料の形状と試料の表面構造を三次
元的に測定することができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、表面構
造を測定する際、その測定の精度は、反射光のビーム径
やカンチレバーに当たる光の方向が大きく影響する。

【０００９】通常深針は、カンチレバーの先端に設けら
れているので、その場合、光がカンチレバーの先端での
み反射されれば、光はカンチレバーの動きを精度良く反
映し、結果として精度の良い測定ができる。逆に、光の
ビーム径が大きくカンチレバーの先端以外の部分で反射
されたり、光のビーム径が小さくても、カンチレバーの
先端から遠い部分で反射される場合には、反射光は深針
の動きを精度良く反映することができない。

【００１０】光がカンチレバーの先端でのみ反射される
ようにするために、従来は、光学レンズを用いて光のビ
ーム径をできるだけ小さく絞っていた。また、カンチレ
バーの先端で光が反射されるように発光装置を調整する
ことにより、光の位置を設定していた。

【００１１】しかし、通常カンチレバーの長さは１００
　μｍ　程度であり、この先端の約数μｍの大きさに集
光するには、発光装置の調整による光の位置設定に多大
の労力と時間を要する。

【００１２】さらに、上記の測定方法では、カンチレバ
ー上の光が反射される位置が測定のたびに異なるので、
再現性の良い表面測定、および表面加工をすることがで
きないという問題点があった。

【００１３】本発明は上記の問題を解決するために成さ
れたものであり、光の位置設定に、労力と時間を要する
こと無く、試料表面を原子スケールで精度良く、かつ再
現性良く測定または加工できる表面測定装置、および表
面加工装置を提供することを目的とする。［発明の構成
］

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、試料表面と対
向するように配置された深針と、前記深針を有するカン
チレバーと、前記深針を前記試料表面近傍で走査する駆
動手段と、前記カンチレバーに光を照射する発光装置と
、前記カンチレバーで反射した反射光を受光検出する光
検出装置を備え、前記カンチレバーが、前記発光装置か
らの入射光を反射するための光反射部と、前記光反射部
以外の部分に照射された光の反射による光検出装置への
到達を防止する手段とを有することを特徴とする表面評
価装置および表面加工装置である。

【００１５】本発明におけるカンチレバーとしては、と
くに深針としての突起を有しないカンチレバーも含むも
のとする。この場合カンチレバーの試料側の面の最先端
部が深針としての役目を果たしている。

【００１６】

【作用】本発明の表面評価装置または表面加工装置を用
いる場合、まずカンチレバーをその深針が試料と対向す
るように設置する。

【００１７】発光装置からカンチレバーの光反射部付近
に光が照射された場合、光反射部に当たった光は、光検
出装置に反射され、光反射部以外に反射された光は、光
検出装置以外の空間に反射されるか、またはカンチレバ
ーに吸収され反射しないなど、光検出器への反射光の到
達が防止されるので、実質的なビームの大きさは光反射
部の大きさである。

【００１８】したがって、カンチレバーの先端に光を集
光せずとも、光をカンチレバーの光反射部を有する面に
照射しさえすれば、感度よくカンチレバーの先端の変位
を検出することができる。また、光反射部の大きさと位
置は常に一定であるため、再現性良く変位を検出するこ
とができる。

【００１９】以上のように、カンチレバーが発光装置か
らの光を反射し、さらに深針が試料表面を相対的に走査
するように試料またはカンチレバーを駆動することによ
り、試料表面を三次元的に測定することができる。以下
実施例により本発明を具体的に説明する。

【００２０】

【実施例】（実施例１）図１は、本発明にかかる表面評
価装置に用いられたカンチレバーを示した模式図である
。

【００２１】カンチレバー１は１辺１００　μｍ　の三
角形で、厚さは約１μｍ　の、Ｓｉ３　Ｎ４　でできて
いる。カンチレバー１は先端にＳｉの深針２を有してい
る。また、カンチレバーの先端の深針２と反対側の面に
は光反射部３があり、さらに光反射部３と４５度の角度
を成し、１μｍ　ピッチのジグザグ状の反射障壁４が設
けられている。反射障壁４は、光反射部３以外の部分に
照射された光の反射による光検出装置への到達を防止す
る手段である。光がより効率よく反射するために、カン
チレバーの光反射部３の面と反射障壁４には、厚さ約０
．０１μｍ　の金薄膜が蒸着されている。このカンチレ
バーのばね定数は０．０２Ｎ／ｃｍであり、また共振周
波数は１０ｋＨｚであった。

【００２２】カンチレバー１はＳｉ基板上にＬＰＣＶＤ
（Ｌｏｗ−ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｖａ
ｐｏｒ　ｄｅ−ｐｏｓｉｔｉｏｎ　）法によってＳｉ３
　Ｎ４　を堆積し、さらにその上にＳｉを堆積した。そ
の後Ｓｉを深針２と反射障壁４を残して選択的にエッチ
ングして作成したものである。図２は、上記のカンチレ
バーを用いた本発明の表面評価装置の一実施例を示す模
式図である。

【００２３】図示のように、この表面評価装置は、基本
的には装置本体２０に、図１に示したカンチレバー１と
同じカンチレバー１１と発光装置１３と、光検出装置１
４と、駆動手段１７を設置してなる。発光装置１３とし
て、ＩｎＧａＡｌＰ／ＩｎＧａＰの半導体レーザー（発
信波長　　６７０ｎｍ）を用いた。光検出装置１４は、
５個のフォトダイオードを並べたフォトダイオードアレ
ー１５に、マイクロメーター１６が接続されている。マ
イクロメーター１６は反射光の方向にフォトダイオード
アレー１５の受光部を移動させる。駆動手段１７は、試
料２をＸ、Ｙ、Ｚの３方向に走査させる圧電素子１８と
、試料１２とカンチレバー１１の深針との距離を調節す
る粗動機構としてのインチワーム１９とを組み合わせて
なる。 上記の装置を用いて試料の表面構造を測定した。

【００２４】図２の発光装置１３から発せられた光２１
は、図１に示したカンチレバー１の光反射部３付近に照
射された。光反射部３以外に照射された光は、ジグザグ
状の反射障壁４により光検出装置以外の方向に反射され
、光検出装置には到達しなかった。図１の光反射部３で
反射された光のみが光検出装置の方向に反射された。 ＡＦＭでは、光検出装置によってカンチレバーの光反射
部で反射された光の変位を検出することにより、カンチ
レバーの変位を測定する。それにより試料と深針間に働
く力が測定される。深針を試料表面に対して二次元的（
Ｘ−Ｙ方向）に走査させながら、試料と深針間に働く力
が一定となるように、圧電素子に電圧をかけ、試料と深
針間の距離（Ｚ方向）を調節する。圧電素子にかけた電
圧は、移動距離に対応するので、それは試料表面の形状
を示すことになる。

【００２５】図３は、本実施例の表面評価装置を用いて
、マイカを試料として、表面構造を測定したＡＦＭ像で
ある。図３で縦軸と横軸は、圧電素子にかけた電圧を示
し、図中の線群はすべて、Ｘ−Ｙ平面上でのＹ一定でＸ
軸方向に走査したときの電圧変化を示し、これが表面の
凹凸に対応する。図３ではマイカのステップが鮮明に測
定されている。

【００２６】（実施例２）図４は、本発明に係る表面評
価および加工装置に用いられたカンチレバーの断面を示
した模式図である。カンチレバー２２は、厚さは約０．
２　μｍ　で、Ｓｉ３　Ｎ４　でできている。カンチレ
バー２２の片面には光反射部２３がある。光反射部２３
は直径１μｍの円形の金薄膜を蒸着してある。また、光
反射部２３と同一平面上、および平行な面上で、かつ光
反射部２３以外の部分は、材質が異なり反射率が光反射
部２３に比べて小さいため、光反射部２３以外の部分に
光を照射しても反射せずに吸収されてしまい光検出装置
へは到達は防止される。また、図４に示すように、カン
チレバーの光反射部２３の面と４５度の角度を成すよう
に平面２４を設けた。この面に一様に厚さ５００　オン
グストロームの金薄膜を蒸着し、反射鏡とした。

【００２７】このカンチレバーのばね定数は０．０２Ｎ
／ｃｍであり、また共振周波数は３０ｋＨｚ　であった
。また、本実施例ではカンチレバー２２の試料側の面の
最先端部を深針として作用する。図５は、上記のカンチ
レバーを用いた本発明の表面分析および加工装置の一実
施例を示す模式図である。

【００２８】図示のように、この表面評価および加工装
置は、基本的には装置本体３０に、図４に示したカンチ
レバー２２と同じカンチレバー２５と発光装置２７と、
光検出装置２８と、駆動手段２９を設置してなる。

【００２９】発光装置２７として、ＩｎＧａＡｌＰ／Ｉ
ｎＧａＰの半導体レーザー（発信波長６７０ｎｍ　）を
用いた。光検出装置２８は、８個×８個のフォトダイオ
ードを二次元的に並べたフォトダイオードアレーが接続
されている。フォトダイオードを二次元的に並べたこと
により、光検出装置２８の受光部が二次元配列になり、
光検出装置の位置を反射された光ビームに位置に移動さ
せる必要がなかった。駆動手段２９は、試料２６をＸ、
Ｙ、Ｚの３方向に走査させる圧電素子３０と、試料２６
とカンチレバー１の深針との距離を調節する粗動機構と
してのインチワーム３１とを組み合わせてなる。上記の
装置を用いて、グラファイトを試料として表面構造を測
定した。

【００３０】図５の発光装置２７から発せられた光は、
図４に示すようにカンチレバー２２の光反射部２３付近
に照射された。測定の精度を上げるため、光の入射角を
約１０度と小さくした。光反射部２３以外に照射された
光は吸収され反射しなかった。光反射部２３に照射され
た光のみが光反射部２３で反射された後、平面２４で再
び反射され光検出装置の方向に反射された。平面２４を
設けたことにより、入射角の小さな光でも光検出装置で
検出可能となった。したがって、カンチレバーの微小な
変化も検出できる。図６は、グラファイト表面構造のＡ
ＦＭ像を示す。縦軸および横軸は図３と同様である。グ
ラファイト表面の炭素原子像が鮮明に測定されている。

【００３１】この後、測定された試料表面の中央に図４
のカンチレバー２２の先端部を位置し、図５のインチワ
ーム３１を駆動させることにより試料を図４のカンチレ
バー２２の先端部に近付け１ｍＳｅｃの間衝突させた。 その後再び図６と同じ表面を測定したＡＦＭ像が、図７
である。表面中央に、炭素３原子に相当する穴が開けら
れていることが分かる。上記の様に、試料表面に微細な
凹凸を形成することができる。

【００３２】

【発明の効果】本発明の、表面測定装置、および表面加
工装置を用いれば、カンチレバーの先端のみで確実に光
を反射させることができるので、測定を迅速かつ容易に
行うことができ、また試料表面を精度良く、かつ再現性
良く、測定および加工することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　本発明の実施例１に用いたカンチレバーの
模式図。

【図２】　　本発明の実施例１に用いた表面評価装置の
模式図。

【図３】　　実施例１の表面評価装置を用いて測定した
試料の表面構造を示すＡＦＭ像。

【図４】　　本発明の実施例２に用いたカンチレバーの
断面の模式図。

【図５】　　本発明の実施例２に用いた表面評価および
加工装置の模式図。

【図６】　　実施例２の表面評価および加工装置を用い
て測定した試料の表面構造を示すＡＦＭ像。

【図７】　　実施例２の表面評価及び加工装置を用いて
試料表面を加工した後、測定した試料の表面構造を示す
ＡＦＭ像。

【図８】　　従来の表面評価装置または表面加工装置の
一例を示す模式図。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】試料表面と対向するように配置された深針
   と、前記深針を有するカンチレバーと、前記深針を前記
   試料表面近傍で走査する駆動手段と、前記カンチレバー
   に光を照射する発光装置と、前記カンチレバーで反射し
   た反射光を受光検出する光検出装置を備え、前記カンチ
   レバーが、前記発光装置からの入射光を反射するための
   光反射部と、前記光反射部以外の部分に照射された光の
   反射による光検出装置への到達を防止する手段とを有す
   ることを特徴とする表面評価装置。
2. 【請求項２】試料表面と対向するように配置された深針
   と、前記深針を有するカンチレバーと、前記深針を前記
   試料表面近傍で走査する駆動手段と、前記カンチレバー
   に光を照射する発光装置と、前記カンチレバーで反射し
   た反射光を受光検出する光検出装置を備え、前記カンチ
   レバーが、前記発光装置からの入射光を反射するための
   光反射部と、前記光反射部以外の部分に照射された光の
   反射による光検出装置への到達を防止する手段とを有す
   ることを特徴とする表面加工装置。