JPH04299210A - 原子間力顕微鏡の探針変位検出装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は原子間力顕微鏡（ＡＭＦ
）の探針変位検出装置に関し、原子間力を用いて表面形
状を測定するような場合に利用されるもので、探針と試
料間に働く原子間力の変化により生じる探針のナノメー
トル以下の単位の変位を測定する探針変位検出装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】微細な表面形状を測定する原子間力顕微
鏡は、試料のＺ方向の位置設定によって試料と、この試
料の表面の極く近くに設置された鋭く尖ったバネ状の片
持ち梁の探針との間に働く原子間力を、片持ち梁の前記
原子間力に応じた撓みから検出しこれにより試料および
探針間の距離を測定しながら、試料を前記Ｚ方向に直角
なＸ、Ｙ方向に走査することにより、試料の表面形状を
測定する。

【０００３】このような原子間力を利用した微細表面形
状の測定装置において、ナノメートルからサブオングス
トロームの精度で探針の変位を測定する必要性が高まっ
ている。

【０００４】図５は従来の探針の位置検出装置を示して
いる。これについて説明する。

【０００５】試料ａはＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動可能なスキ
ャナｂ上に支持されている。試料ａ上には探針ホルダｃ
に支持された探針ｄが位置している。

【０００６】そして光源からの光ビームｅは、レンズｆ
を通って探針ｄ上の反射面に照射される。この反射面か
らの反射光は光検出器ｇに到達する。この際レンズｆは
、前記光ビームｅを探針ｄ上、または光検出器ｇ上、あ
るいはこれらの近傍の一箇所に集光するようにしている
。

【０００７】ここで探針ｄが試料ａに接近されると、片
持ち梁状の探針ｄは試料ａとの間の原子間力に応じた撓
みを生じる。これにより探針ｄの試料に対する角度が変
化し、探針ｄ上の反射面から反射されている反射光の反
射方向が変化する。

【０００８】この変化は光検出器ｇの反射光受光位置の
変化となる。この変化によって光検出器ｇは探針ｄの位
置の微小変化を検出する。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし上記従来のよう
な構成では、探針ｄの寸法が小さく、探針ｄ上に光ビー
ムｅを集光した場合に、光検出器ｇ上での光ビーム径が
逆に大きくなり、高精度な変位検出が行えない。

【００１０】また光検出器ｇ上に光ビームｅを集光した
とき、探針ｄでの光ビームｅのビーム径が大きくなり、
光が探針ｄからはみ出して試料ａにまで照射される。こ
のため光検出器ｇが受光する探針ｄからの反射光に、試
料ａからの散乱光が重なり、位置検出信号としてのＳ／
Ｎ値が低下し、探針ｄの変位検出に誤差を生じる。

【００１１】そこで本発明は、探針上での光スポットと
、光検出器上での光スポットとの双方が、探針の変位検
出に最適となって、探針の変位を高精度に検出すること
ができる原子間力顕微鏡の探針位置検出装置を提供する
ことを課題とするものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本願第１の発明は、光源
からの光をレンズを通して被測定探針上の反射面に照射
し、この反射面からの反射光を光検出器に受光させ、光
検出器の前記光を受ける位置の変化によって探針の変位
を検出するようにした原子間力顕微鏡の探針変位検出装
置において、光源、ビームスプリッタおよびレンズを、
被測定探針上の反射面に対し垂直な光路上に前記反射面
に向け順次配設し、ビームスプリッタは前記光路上の入
射光を前記レンズを介し前記反射面に入射するように透
過させるとともに、前記反射面から反射しレンズを経て
きた光を前記入射光路外の光検出器に向くように偏向さ
せるようにし、レンズは前記光源からの光を前記反射面
の近傍に集光させるとともに、前記反射面から反射して
きた光を光検出器上に集光させるようにしたことを特徴
とするものである。

【００１３】本願第２発明は、光源からの光をレンズを
通して被測定探針上の反射面に照射し、この反射面から
の反射光を光検出器に受光させ、光検出器の前記光を受
ける位置の変化によって探針の変位を検出するようにし
た原子間力顕微鏡の探針変位検出装置において、光検出
器、ビームスプリッタおよびレンズを、被測定探針上の
反射面に対し垂直な光路上に前記反射面に向け順次配設
し、ビームスプリッタは前記光路外に配した光源から入
射する光をレンズに向け偏向させるとともに、前記反射
面から反射しレンズを経てきた光を光検出器に向け透過
させるようにし、レンズは前記光源からの光を前記反射
面の近傍に集光させるとともに、前記反射面から反射し
てきた光を光検出器上に集光させるようにしたことを特
徴とするものである。

【００１４】

【作用】本願第１、第２の発明の上記構成によれば、光
源からの光は、ビームスプリッタおよびレンズを経て被
測定探針上の反射面の近傍に集光され、極く小さな被測
定探針上に確実に照射することができるので、照射光が
被測定探針からはみ出して試料面に照射されるようなこ
とを防止し、光検出器へは探針上からの反射光のみが到
達するようにして位置検出信号としてのＳ／Ｎ値を向上
することができる。しかも被測定探針上の反射面から反
射する反射光は、前記レンズを再度通ることによってビ
ームスプリッタを介し光検出器上に集光されるので、光
検出器上に到達する光のスポット径が小さく、光検出器
の探針変位量に対する出力変化を大きくすることができ
る。

【００１５】

【実施例】以下本発明にかかる原子間力顕微鏡の探針位
置検出装置について、図面を参照しながら説明する。

【００１６】図１は本発明の第１の実施例を示している
。図において試料１はＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動可能なスキ
ャナ２上に支持されている。試料１上には原子間力顕微
鏡の探針３が探針ホルダー４により支持されて対向して
いる。

【００１７】探針３上の反射面３ａに垂直な光路上に、
レーザー光源５、ビームスプリッタ７、レンズ８が反射
面３ａに向け順次配設されている。

【００１８】ビームスプリッタ７は、レーザー光源５か
らのレーザービーム６を透過させてレンズ８を介し反射
面３ａに到達させるとともに、反射面３ａ上で反射しレ
ンズ８を経てきた反射光を前記光路外に反射させて光検
出器９上に向けるようにする。

【００１９】レンズ８は前記レーザー光源５から射出さ
れビームスプリッタ７を透過してきたレーザービーム６
を探針３の前記反射面３ａ上の近傍に集光させるととも
に、反射面３ａで反射してくるレーザービーム６をビー
ムスプリッタ７を介し光検出器９上に集光させる。

【００２０】以下に説明するシミュレーションではレン
ズ８は理想状態とし、レーザービーム６はレンズ８によ
り回折限界まで絞れるものとする。

【００２１】またレーザービーム６のビーム径をφ＝２
ｍｍ、レンズ８の焦点距離ｆ＝５ｍｍ、光学的テコの拡
大長を１００ｍｍとする。

【００２２】以上の条件設定にて光検出器９上で最小の
ビーム径が得られるように探針３とレンズ８までの距離
を５．２６３ｍｍとすると、探針３上でのレーザービー
ム６のビーム径は１４３μｍ、光検出器９上でのビーム
径は３８μｍとなる。

【００２３】これを従来の構成の場合について見てみる
と、光学的テコの拡大長を１００ｍｍとし、光検出器上
で最小のビーム径が得られるようにレンズ３の焦点距離
を選定するとｆ＝２００ｍｍとなり、探針上でのレーザ
ービーム６のビーム径は１．０７６ｍｍ、光検出器上で
のビーム径は７６μｍとなる。

【００２４】また同じように光学的テコの拡大長を１０
０ｍｍとし、ｆ＝１２５ｍｍのレンズを使用した場合、
探針上でのビーム径は４４７μｍ、光検出器上でのビー
ム径は４４７μｍとなる。

【００２５】また同様に光学的テコの拡大長を１００ｍ
ｍとし、ｆ＝１００ｍｍのレンズを用いた場合、探針上
でのビーム径は３８μｍ、光検出器９上でのビーム径は
２ｍｍとなる。

【００２６】以上で明らかなように、光検出器９上での
光ビーム径は本実施例によるものが３８μｍと最小とな
る。

【００２７】ここで光検出器９上でのビーム径と、光検
出器信号出力の相関を図３、図４に基づき説明する。図
３から明らかなように、ビーム径が大きい（ａ）の場合
よりも、ビーム径が小さい（ｂ）の場合の方が光輝度の
ピークが高い。このため探針変位に対する光検出器９か
らの信号出力の変化は、図４に示すビーム径が大きい（
ａ）の場合よりも、ビーム径が小さい（ｂ）の場合の方
が格段に大きくなる。

【００２８】したがじって光検出器９上での光ビーム径
の大きさが小さい程、探針３の変位を高精度に検出する
ことができる。

【００２９】また探針３上でのビーム径も１４３μｍと
小さいので、バネ定数が小さく高感度で、しかも共振周
波数が高くスキャナ２の高速走査を可能とする小型の探
針を使用しても、レーザービーム６の一部が探針３から
外れて試料１を照射するようなことを防止することがで
き、問題はない。

【００３０】さらに探針３の反射面３ａは必ずしも光学
的な平面とは限らないので、散乱光等も発生するが、本
実施例ではレンズ８の回折限界まで探針３からの散乱光
を集光することができ、試料１からの散乱光の入射がな
いことと相俟って、Ｓ／Ｎ値が向上する。

【００３１】以上のように本実施例によれば、レーザー
ビームを探針３上の近傍と、光検出器９上との２箇所に
集光できるので、散乱光の影響を低減することができ、
また高感度かつ高精度に探針３の微小変位を検出するこ
とが可能となり、また探針３の近傍での集光と、光検出
器９上への集光とに１つのレンズ８を共用しているので
、コンパクトで安価な構成が実現する。

【００３２】図２は本発明の第２の実施例を示し、光検
出器９がビームスプリッタ７およびレンズ８とともに探
針３の反射面３ａに垂直な光路上に配設され、レーザー
光源５がこの光路外に配されている。したがって第１の
実施例の場合とはレーザー光源５と光検出器９との配置
が逆になっている点で相違するたけであり、レーザー光
源５からのレーザービーム６がビームスプリッタ７及び
レンズ８を経て探針３の反射面３ａ上の近傍に集光され
、探針３の反射面３ａから反射した光がレンズ８および
ビームスプリッタ７を経て光検出器９上に集光されるこ
とに変わりはない。

【００３３】

【発明の効果】本願第１、第２の発明の上記構成によれ
ば、光源からの光は、ビームスプリッタおよびレンズを
経て被測定探針上の反射面の近傍に集光され、極く小さ
な被測定探針上の必要な範囲にのみ前記光源からの光を
確実に照射することができるので、照射光が被測定探針
からはみ出して試料面に照射されるようなことを防止し
、光検出器へは探針上からの反射光のみが到達するよう
にして位置検出信号としてのＳ／Ｎ値を向上させること
ができ、また被測定探針上の反射面から反射する前記高
いＳ／Ｎ値の反射光は、前記レンズを再度通ることによ
ってビームスプリッタを介し光検出器上に集光されるの
で、光検出器上に到達する光のスポット径が小さく、光
検出器の探針変位量に対する出力変化を大きくすること
ができるので、被測定探針の変位量検出の精度が向上す
る。そして前記２箇所への集光を１つのレンズを共用し
て達成しているので構造が特に複雑になることはなく比
較的安価に本願装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例としての原子間力顕微鏡
の探針変位検出装置の概略構成図である。

【図２】本発明の第２の実施例としての原子間力顕微鏡
の探針変位検出装置の概略構成図である。

【図３】レーザービームのスポット径に対する光輝度の
分布を示すグラグである。

【図４】探針変位量と光検出器の信号の出力変化との関
係を示すグラフである。

【図５】従来の原子間力顕微鏡の探針変位検出装置の概
略構成図である。

【符号の説明】

３　　探針 ３ａ　　反射面 ５　　光源 ６　　レーザービーム ７　　ビームスプリッタ ８　　レンズ ９　　光検出器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　光源からの光をレンズを通して被測定
   探針上の反射面に照射し、この反射面からの反射光を光
   検出器に受光させ、光検出器の前記光を受ける位置の変
   化によって探針の変位を検出するようにした原子間力顕
   微鏡の探針変位検出装置において、光源、ビームスプリ
   ッタおよびレンズを、被測定探針上の反射面に対し垂直
   な光路上に前記反射面に向け順次配設し、ビームスプリ
   ッタは前記光路上の入射光を前記レンズを介し前記反射
   面に入射するように透過させるとともに、前記反射面か
   ら反射しレンズを経てきた光を前記入射光路外の光検出
   器に向くように偏向させるようにし、レンズは前記光源
   からの光を前記反射面の近傍に集光させるとともに、前
   記反射面から反射してきた光を光検出器上に集光させる
   ようにしたことを特徴とする原子間力顕微鏡の探針変位
   検出装置。
2. 【請求項２】　　光源からの光をレンズを通して被測定
   探針上の反射面に照射し、この反射面からの反射光を光
   検出器に受光させ、光検出器の前記光を受ける位置の変
   化によって探針の変位を検出するようにした原子間力顕
   微鏡の探針変位検出装置において、光検出器、ビームス
   プリッタおよびレンズを、被測定探針上の反射面に対し
   垂直な光路上に前記反射面に向け順次配設し、ビームス
   プリッタは前記光路外に配した光源から入射する光をレ
   ンズに向け偏向させるとともに、前記反射面から反射し
   レンズを経てきた光を光検出器に向け透過させるように
   し、レンズは前記光源からの光を前記反射面の近傍に集
   光させるとともに、前記反射面から反射してきた光を光
   検出器上に集光させるようにしたことを特徴とする原子
   間力顕微鏡の探針変位検出装置。