JPH05187866A - 原子間力顕微鏡及び記録再生装置及び再生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 光てこ式原子間力顕微鏡であり、プローブを
設けたメインカンチレバーの他に補助カンチレバーを設
け、該補助カンチレバー先端と試料近傍に副反射部を設
け、上記メインのカンチレバー先端に設けた主反射部の
３点からの反射光を同時に測定し、プローブと試料の相
対的位置変化を補償する原子間力顕微鏡。 【効果】 振動等外部からの影響を受けず、ひじょうに
精度が高く、高感度測定を行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、物質の表面を高分解で
観察できる原子間力顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年において、導体の表面原子の電子構
造を直接観測できる走査型トンネル顕微鏡（以下「ＳＴ
Ｍ」と記す）が開発され（Ｇ．Ｂｉｎｎｉｇ ｅｔ．ａ
ｌ．，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．４９（１９８２）
５７）、単結晶、非晶質を問わず実空間像を著しく高い
分解能（ナノメートル以下）で測定できるようになっ
た。ＳＴＭは金属のプローブと導電性物質の間に電圧を
加えて、１ｎｍ程度の距離まで近づけるとトンネル電流
が流れることを利用している。この電流は両者の距離変
化に非常に敏感で指数関数的に変化するので、トンネル
電流を一定に保つようにプローブを走査することにより
実空間の表面構造を原子オーダーの分解能で観察するこ
とができる。

【０００３】しかしながら、ＳＴＭによる解析は、導電
性のサンプルに限られ、絶縁性のサンプルの観察には向
かないという問題点が有った。そこで、新たに、原子間
力顕微鏡（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃ
ｏｐｅ；以下「ＡＦＭ」と記す）というアイデアが提唱
された（Ｂｉｎｎｉｇ他 Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔ
ｔ．５６（１９８６）１９３０参照）。

【０００４】ＡＦＭは、物質間に働く力によって物質表
面の形状を２次元的に観察するものであり、ＳＴＭと異
なり、電気伝導性のない材料表面や有機分子がナノメー
トルスケールで観察できることから広範な応用が期待さ
れている。ＡＦＭは一般に先端径の小さなプローブ（探
針）を持つカンチレバー部と、このレバーの曲がりを測
定する変位測定部から構成される。このプローブは、カ
ンチレバーの自由端に、カンチレバー本体とは別個に作
製される場合や、カンチレバー自体を試料面と傾けて設
置することによりカンチレバーの自由端をプローブとし
て用いる場合等がある。

【０００５】一般に物質表面間において、比較的遠距離
では分散力による微弱な引力が、近距離では斤力が働
く。カンチレバーの曲がりはこの作用する力に比例する
ので、この曲がりを測定することによって、プローブ先
端とこれに数ｎｍ以内に近接する試料表面間に働く微弱
で局所的な力を検出することが可能となる。さらに試料
を走査することで試料表面の力の２次元的情報が得られ
る。さらに、カンチレバーの曲がりを一定にするように
フィードバックをかけながら走査することにより、試料
表面の微小な凹凸形状を観察できる。

【０００６】また、カンチレバーの曲がりを検出する方
法としては、ＳＴＭを応用する方式、試料とカンチレバ
ー間の電気容量を検出する方式、光の干渉を用いる方
式、カンチレバーにレーザー光を入射し、その反射角の
変化から曲がりを読みとる光てこ方式等があるが、操作
性、検出感度を考慮して光てこ方式が一般的である。

【０００７】ＡＦＭによる分解能は試料面に平行な方向
に１ｎｍ以下であるので試料表面に１０ｎｍ程度の間隔
で凹凸を作製し、それをＡＦＭで読み出すことによっ
て、１０¹²ビット／ｃｍ² 近い超高密度のメモリを作製
することも可能である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例では以下に示すような問題がある。

【０００９】先ず、図６に従来の光てこ方式のＡＦＭの
概略図を示す。６０１は上部支持台で、その上に、レー
ザー６０２、２分割フォトダイオード６０３が取り付け
られており、該上部支持台６０１に、カンチレバー６０
４がカンチレバー支持部６０５を介して取り付けられて
いる。６０６は上部支持台６０１と下部支持台６０７と
をつなぐ接続部であり、下部支持台６０７の上に、３次
元駆動可能な円筒ピエゾ６０８が取り付けられ、その上
部に試料６０９が固定されている。

【００１０】上記構成のＡＦＭにおいて、円筒ピエゾ６
０８を２次元に移動させることにより、カンチレバー６
０４が試料６０９を相対的に２次元に走査し、試料６０
９の表面の凹凸に応じてカンチレバー６０４が曲がるの
でそれをレーザー光６１０の反射角の変化として、２分
割フォトダイオード６０３で検出する。ここで、レーザ
ー６０２と２分割フォトダイオード６０３は同一の支持
台６０７に固定されているので相対位置は変化しにくい
が、レーザー６０２、２分割フォトダイオード６０３と
カンチレバー６０４との相対位置はカンチレバー支持部
６０５の機械的強度が十分でないと変化してしまい、こ
れはそのまま測定誤差につながる。また、上部支持台６
０１と下部支持台６０７との接続部が機械的に弱いと試
料６０９とカンチレバー６０４の相対位置が変化し、測
定誤差を生ずる。

【００１１】つまり、光てこ方式のＡＦＭでは、本体は
大きく３つの部分、レーザー、検出器、カンチレバ
ー、試料に分かれ、それぞれが機械的に接続されてお
り、この接続部分の強度が十分でないと外来の振動ノイ
ズ、熱的なドリフト等により正しい測定が行えないとい
う問題がある。

【００１２】さらに、試料表面の凹凸の測定分解能を上
げるためには、カンチレバーの弾性定数を小さくせざる
をえず、カンチレバー部で外来の音響振動を拾ってしま
い測定感度が十分上がらないという問題点もある。

【００１３】以上のような問題点があるため、ＡＦＭを
記録再生装置に応用する際にも、エラーレートが大きく
なってしまうという問題点が有った。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は上記問題点を鑑
みてなされたものであり、本発明の目的は、音響振動等
外来の振動、熱的なドリフトの影響を受けにくい高感度
のＡＦＭ、及び該ＡＦＭを用いた信頼性の高い記録再生
装置又は再生装置を提供することにある。

【００１５】上記目的は以下の構成により達成される。

【００１６】即ち、本発明の第１は、試料表面を測定す
るために変位可能な梁型プローブを有し、該梁に設けた
表面情報を検出する為の第１の受光部と、測定の為の変
位が実質的に生じない部分に設けた第２の受光部からの
光をそれぞれ測定することにより、上記プローブと試料
の相対的位置変化を補償して試料表面情報測定を行なう
ことを特徴とする原子間力顕微鏡を提供するものであ
る。

【００１７】上記本発明の原子間力顕微鏡において、例
えば上記第２受光部を、梁支持部近傍に設けることによ
り、梁型プローブと投光、受光側との相対変位を補償す
ることができる。また、例えば上記第２受光部を試料支
持部近傍に設けることにより、梁型プローブと試料との
相対変位を補償することができる。さらに、例えば上記
第２受光部をプローブを設けた梁と同一の支持部に固定
された補助カ梁上に設けることにより、梁型プローブ自
身が拾う音響振動等による影響を補償することができ
る。

【００１８】さらに本発明の第２は、上記ＡＦＭを用い
ることにより、信頼性の高い記録再生装置又は再生装置
を提供するものである。

【００１９】

【実施例】以下、実施例を用いて本発明を詳細に説明す
る。

【００２０】実施例１ 図１に実施例１のＡＦＭの概略図を示す。先ず支持台１
０１にレーザー１０２、集光レンズ１０３、ビームスプ
リッタ１０４、ミラー１０５、２分割フォトダイオード
１０６、１０７が取り付けられている。さらに、カンチ
レバー支持部１０８を介してカンチレバー１０９が取り
付けられている。また、押しバネ１１１、スプリング１
１２によって支持台１０１と１１０は接続されており、
支持台１１０の上部に円筒ピエゾ１１３、さらにその上
部に試料１１４がセットされている。

【００２１】レーザー１０２から発せられたレーザー光
は集光レンズ１０３により集束されさらにビームスプリ
ッタ１０４によってレーザービーム１１５、１１６に分
けられる。レーザービーム１１５はカンチレバー１０９
の先端部に照射され（ビーム径約２０μｍ）、反射した
レーザービームは２分割フォトダイオード１０６に入射
され、カンチレバー１０９の変形が２分割フォトダイオ
ード１０６の差分出力の変動として検出される。

【００２２】また、レーザービーム１１６は、ミラー１
０５によりカンチレバー１０９の根元に入射され、反射
光は２分割フォトダイオード１０７に入射される。これ
により、支持台１０１とカンチレバー１０９の相対位置
の変化が２分割フォトダイオード１０７の差分出力の変
動として検出される。

【００２３】上記２出力を同時に検出し、それぞれ増幅
器１１７、１１８を介し、適当にゲインを調節した後、
差動増幅器１１９を通して差分を行えば、差動増幅器の
出力はカンチレバー全体の変動分がキャンセルされる為
外来振動ノイズ、熱的ドリフト等の影響を補償した試料
表面形状の検出信号として扱うことができる。よってこ
の差分出力を不図示の信号処理系にて処理して正確な試
料表面形状情報を得ることができる。

【００２４】図２にカンチレバーの拡大図を示す。上側
が上面図、下側が正面図である。カンチレバー２０２は
ＳｉＮ（厚さ０．４μｍ、長さ１００μｍ）のＶ字状で
あり、Ｓｉウェハー２０１上に作製されている。また、
レーザービーム照射面にはＡｕ２０３が５００Å蒸着さ
れている。レーザービーム１１５は弾性変形部（カンチ
レバーの先端）に、レーザービーム１１６はＳｉウェハ
ー部に照射される。

【００２５】本実施例のＡＦＭを用いて、Ｓｉウェハー
上にフォトリソグラフィーによって作製された０．７μ
ｍピッチのグレーティングを観察したところ補償前と補
償後で明らかに外部振動ノイズが減少していることがわ
かった。

【００２６】実施例２ 図３に実施例２のＡＦＭの概略図を示す。支持台３０１
にレーザー３０２、３０３、集光レンズ３０４、３０
５、２分割フォトダイオード３０６、３０７が取り付け
られている。さらにカンチレバー支持部３０８を介し
て、カンチレバー３０９が取り付けられている。また、
押しバネ３１１、スプリング３１２によって支持台３０
１と３１０は接続されており、支持台３１０の上部に副
反射部としてミラー３１３及び円筒ピエゾ３１４さらに
その上部に試料３１５がセットされている。レーザー３
０２から発せられたビーム３１７は、下部の支持台３１
０上に取り付けられたミラー３１３によって反射し、上
部の支持台３０１上に取り付けられた２分割フォトダイ
オード３０７に入射する。これにより、支持台３０１と
３１０即ちカンチレバー３０９と試料３１５との相対位
置の変化が２分割フォトダイオード３０７の差分出力の
変動として検出される。

【００２７】実施例１と同様に、２つの出力を増幅器３
１８、３１９でそれぞれ増幅し、差動増幅器３２０で差
分をとることにより、外来振動ノイズ、熱的ドリフト等
の影響を補償した試料表面形状の検出信号を得ることが
できる。

【００２８】本実施例のＡＦＭを用いて実施例１で観察
したグレーティングを観察したところ、実施例１と同様
の好結果を得た。

【００２９】実施例３ 実施例３のＡＦＭの概略を図４に示す。支持台４０１の
上にある、レーザー４０２、集光レンズ４０４、２分割
フォトダイオード４０８、及び支持台４１２の上にある
ミラー４１５を用い、ビーム４２１の反射角の変化によ
ってカンチレバー４１０と試料４１７との間の相対位置
変動を補償するのは実施例２と同様である。本実施例で
は、レーザー４０３及びシリンドリカルビームエキスパ
ンダー４０５により、一方向に引きのばされたビーム４
１８をカンチレバー４１０と補助カンチレバー４１１の
先端部に入射し、それぞれの反射ビーム４１９、４２０
をそれぞれ２分割フォトダイオード４０６、４０７で受
ける。カンチレバー４１０は試料表面の形状の検出に用
い、補助カンチレバー４１１は表面の形状検出には用い
ず直接的な音響振動を検出する。カンチレバー部の拡大
上面図を図５に示す。５０１はメインのカンチレバー、
５０２は補助カンチレバー、５０３はビーム照射部であ
る。尚、カンチレバー５０１と、補助カンチレバー５０
２は、半導体プロセスによって作製されており、寸法、
形状をそろえておくことにより、カンチレバー５０１が
ひろってしまう音響振動と同量を補助カンチレバー５０
２で検出することができ、補償がし易い。

【００３０】また、図４において、押しバネ４１３、ス
プリング４１４、円筒ピエゾ４１６、試料４１７は実施
例２と同様のものを使用している。

【００３１】上記の３つの２分割フォトダイオード４０
６、４０７、４０８の差分出力を、フォトダイオード４
０６の出力は増幅器４２２で、又フォトダイオード４０
７、４０８の出力は一緒に増幅器４２３で、増幅率を適
切に調整して増幅し、各増幅器からの出力を差動増幅器
４２４で差分することにより、この差動増幅器の出力は
支持台４１２から伝わる外来の振動ノイズ、熱的なドリ
フトのみならず、カンチレバーに直接伝わる音響振動の
影響もキャンセルされて低減でき、この出力を不図示の
信号処理系で信号処理する事により正確な試料表面形状
情報が得られる。

【００３２】実施例４ 実施例３のＡＦＭ装置を記録再生装置として用い記録ビ
ットの書き込み、読み出し実験を行った。

【００３３】図７に具体的にこの記録再生装置の構成図
を示す。図４に示したのと同様の部材には同じ符番を冠
してある。ただし本実施例ではカンチレバー４１０に電
圧印加のためのメタルコーティングを施してある。７０
１はこのカンチレバーと試料（記録媒体）４１７との間
に電圧を印加して記録媒体上に記録ビットを作成するた
めの電圧印加装置である。また７０２は円筒ピエゾ４１
６を駆動して記録媒体上をカンチレバー４１０に二次元
走査させるためのＸＹ走査制御装置である。７０３はコ
ントローラであり、ＸＹ走査制御装置７０２を制御する
とともに、記録情報と走査位置情報とに基づいて電圧印
加装置の電圧印加を制御して所定位置に所定記録ビット
を形成させ、かつ差動増幅器４２４からの出力信号を走
査位置情報とともに処理して記録情報の再生を行う。

【００３４】本実施例では、カンチレバーの試料に向か
う面にもＡｕを蒸着した。

【００３５】また、記録媒体としては、ガラス基板上に
成膜したＡｕを用い、上記カンチレバーと、該Ａｕ膜と
の間に数Ｖ、数μｓｅｃ程度のパルス電圧を印加して、
直径１０ｎｍ程度、高さ２ｎｍ程度の凸部を形成した。
これが記録ビットとなり、円筒ピエゾで２次元に走査し
ながら、記録ビット列を形成した。次に、実施例３と同
様にＡＦＭによって、このビット列を読み出すことがで
きた。

【００３６】本実施例において、再生のみの装置として
も良い。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明により以下
のような効果が得られる。 （１） 床振動等の外来の振動ノイズの影響を受けにく
くなるため、精度の高い測定が可能となる。 （２） 外来の音響振動の影響を受けにくくなるため、
より小さな弾性定数のカンチレバーを使用することがで
き、高感度測定が可能であるばかりでなく、硬度の小さ
な試料表面の観察も可能となる。 （３） 観察可能な環境の範囲が広がり操作性が向上す
る。 （４） エラーレートの低い高信頼性の記録再生装置を
作製できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例１のＡＦＭの概略図。

【図２】 実施例１で使用したカンチレバーの拡大図。

【図３】 実施例２のＡＦＭの概略図。

【図４】 実施例３のＡＦＭの概略図。

【図５】 実施例３で使用したカンチレバー部の拡大
図。

【図６】 従来の光てこ方式ＡＦＭの概略図。

【図７】 記録再生装置の構成図である。

【符号の説明】

１０１ 支持台 １０２ レーザー １０３ 集光レンズ １０４ ビームスプリッタ １０５ ミラー １０６、１０７ ２分割フォトダイオード １０８ カンチレバー支持部 １０９ カンチレバー １１０ 支持台 １１１ 押しバネ １１２ スプリング １１３ 円筒ビエゾ １１４ 試料 １１５、１１６ レーザービーム １１７、１１８ 増幅器 １１９ 差動増幅器 ２０１ Ｓｉウェハー ２０２ ＳｉＮ ２０３ Ａｕ ３０１ 支持台 ３０２、３０３ レーザー ３０４、３０５ 集光レンズ ３０６、３０７ ２分割フォトダイオード ３０８ カンチレバー支持部 ３０９ カンチレバー ３１０ 支持台 ３１１ 押しバネ ３１２ スプリング ３１３ ミラー ３１４ 円筒ピエゾ ３１５ 試料 ３１６、３１７ レーザービーム ３１８、３１９ 増幅器 ３２０ 差動増幅器 ４０１ 支持台 ４０２、４０３ レーザー ４０４ 集光レンズ ４０５ シリンドリカルビームエキスパンダー ４０６、４０７、４０８ ２分割フォトダイオード ４０９ カンチレバー支持部 ４１０ カンチレバー ４１１ 補助カンチレバー ４１２ 支持台 ４１３ 押しバネ ４１４ スプリング ４１５ ミラー ４１６ 円筒ピエゾ ４１７ 試料 ４１８、４１９、４２０、４２１ ビーム ４２２、４２３ 増幅器 ４２４ 差動増幅器 ５０１ カンチレバー ５０２ 補助カンチレバー ５０３ ビーム照射部 ６０１ 上部支持台 ６０２ レーザー ６０３ ２分割フォトダイオード ６０４ カンチレバー ６０５ カンチレバー支持部 ６０６ 接続部 ６０７ 下部支持台 ６０８ 円筒ビエゾ ６０９ 試料 ６１０ レーザー光 ７０１ 電圧印加装置 ７０２ ＸＹ走査制御回路 ７０３ コントローラ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮▲崎▼ 俊彦 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キヤ ノン株式会社内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料表面を測定するために変位可能な梁
   型プローブを有し、該梁に設けた表面情報を検出する為
   の第１の受光部と、測定の為の変位が実質的に生じない
   部分に設けた第２の受光部からの光をそれぞれ測定する
   ことにより、上記プローブと試料の相対的位置変化を補
   償して試料表面情報測定を行なうことを特徴とする原子
   間力顕微鏡。
2. 【請求項２】 第２受光部を梁の支持部近傍に設けたこ
   とを特徴とする請求項１記載の原子間力顕微鏡。
3. 【請求項３】 第２受光部を試料支持部近傍に設けたこ
   とを特徴とする請求項１記載の原子間力顕微鏡。
4. 【請求項４】 第２受光部をプローブを有する梁と同じ
   支持部に固定された補助梁上に設けたことを特徴とする
   請求項１及び３記載の原子間力顕微鏡。
5. 【請求項５】 第１及び第２受光部が光反射部であるこ
   とを特徴とする請求項１〜４記載の原子間力顕微鏡。
6. 【請求項６】 請求項１〜５のいずれかに記載の原子間
   力顕微鏡を用いたことを特徴とする記録再生装置。
7. 【請求項７】 請求項１〜５のいずれかに記載の原子間
   力顕微鏡を用いたことを特徴とする再生装置。