JPH05312561A

JPH05312561A - 原子間力顕微鏡

Info

Publication number: JPH05312561A
Application number: JP11492492A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kajimura; 宏梶村
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1992-05-07
Filing date: 1992-05-07
Publication date: 1993-11-22

Abstract

(57)【要約】【目的】大型の試料を観察できる原子間力顕微鏡を提供
する。【構成】カンチレバー９は自由端部の一方の面に探針８
を有し、その反対側の面に反射面１０を有している。こ
のカンチレバー９の反射面１０に向けて所定の一定角度
でレーザービームを射出するレーザーダイオードＬＤが
設けられている。カンチレバー９は支持部７を介して、
探針８を試料表面に沿って走査するための円筒型アクチ
ュエーター４に支持されている。さらに、カンチレバー
９の反射面１０からのレーザービームを受光し、その入
射位置から探針８の変位を検出する二分割フォトダイオ
ードが設けられている。

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（ＡＦ
Ｍ）に関する。より詳しくは、カンチレバーの変位を検
出するカンチレバー変位検出系に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＡＦＭのカンチレバー変位検出系には、
カンチレバーの自由端部で探針の反対側の面に設けてあ
るミラーにレーザビームを照射し、カンチレバーの変位
により生ずる反射光の強度変化を干渉計を用いて検出す
る干渉法や、カンチレバーの変位により生ずるミラーに
対するレーザービームの入射角の変化を光テコの原理に
よりビーム受光器面でのビームの変位拡大として検出す
る光テコ法や、臨界角プリズムやシリンドルカルレンズ
やナイフエッジ等の光学素子を介してカンチレバーのミ
ラー面から検出器に投影されるビームの合焦状態を検出
する合焦検出法などがある。

【０００３】ここで、光テコ法によるカンチレバー変位
検出系について図４を参照して説明する。図に示すよう
に、筐体１１０に支持されているカンチレバー１１２
は、自由端部に探針１１４を有し、その反対側にミラー
１１６を有している。試料台１２０に載置された試料１
１８は、探針１１４の近傍に対向して配置され、ＸＹ方
向すなわち試料表面に沿って移動される。筐体１１０の
内部には、ミラー１１６に向けてレーザービームを射出
するレーザーダイオード１２２と、ミラー１１６からレ
ーザービームを受ける二分割受光器１２４とが設けられ
ている。二分割受光器１２４は、二つの受光領域１２４
ａと１２４ｂを有し、カンチレバー１１２が測定時の基
準状態（図では水平な状態）にあるときのミラー１１６
からのレーザービームの中心が二つの受光領域１２４ａ
と１２４ｂの境界に照射されるように配置される。二つ
の受光領域１２４ａと１２４ｂは受光した光の強度に応
じた電圧信号を出力し、その出力差を調べることによ
り、ミラー１１６の傾きすなわちカンチレバー１１２の
変位を測定できる。

【０００４】光テコ法の検出感度Ｓは、二分割受光器１
２４の受光面でのビームの変位をＤ、カンチレバー１１
２の長さ（通常１００〜２００μｍ）をｌ、反射ビーム
の光路（ミラー１１６から二分割受光器１２４までの距
離）をＬ、探針１１４の変位量をΔとすると、Ｓ＝Ｄ／Δ＝２Ｌ／ｌとなる。Ｌ＝１００ｍｍ、ｌ＝２００μｍとすると、Ｓ＝２００／（２００×１０^-3）＝１０³ となる。このように光テコ法によれば、構成が簡単でし
かも感度の高い変位検出系が得られる。

【０００５】臨界角法もまた簡単な構成の変位検出系を
構成することができる。臨界角法では、プリズムに入射
したレーザービームはプリズム面に臨界角で入射するよ
うに設定されている。このレーザービームは、僅かな入
射角の変化でプリズム面を透過したり、ガラス内部に反
射される。つまり、偏角に対して透過率と反射率が急峻
に変化する。図５に、ガラス材の屈折率ｎ＝１．５の場
合の反射率曲線を示す。ここで臨界角法をカンチレバー
の変位検出系に適用した特開平３−７１００１に開示さ
れている観察光学系一体型ＡＦＭについて図６を参照し
て説明する。

【０００６】レーザーダイオード８７から射出されるレ
ーザー光は、コリメートレンズ９０によって平行光に整
形され、偏光ビームスプリッター８６に入射される。偏
光ビームスプリッター８６で反射されたレーザー光は、
さらにハーフミラー８５で反射され、１／４波長板８４
に入射する。

【０００７】一方、観察照明装置の光源９６から射出さ
れる照明光はレンズ９７で平行光にされ、ハーフミラー
９２で反射される。ハーフミラー９２で反射される照明
光は、フィルター９１およびハーフミラー８５を透過
し、１／４波長板８４に入射する。

【０００８】１／４波長板８４を通過するレーザー光お
よび照明光は、それぞれ異なる主光線を有して対物レン
ズ８３に入射する。１／４波長板８４を通過する際、レ
ーザー光は直線偏光から円偏光に変換され、対物レンズ
８３によって探針を自由端に設けたカンチレバー２２の
上面に集光される。一方、照明光は探針の先端付近に集
光され、視野全体を照明する。

【０００９】試料２６から反射される照明光は、対物レ
ンズ８３、１／４波長板、ハーフミラー８５、フィルタ
ー９４、及びハーフミラー９２を通過し、結像レンズ９
３により結像され、プリズム９４に入射される。プリズ
ム９４に入射される光の一部は、プリズム９４の界面で
反射され、接眼レンズ９５に達する。プリズム９４を通
過する光は、ＣＣＤ影像素子等を備えるビデオカメラ２
７に入射され、影像信号に変換され、ビデオモニター２
８に送られて表示される。１／４波長板８４は、照明光
の反射光が直接観察光学系に入射しないように、光軸に
対して僅かに傾けて配置され、フレアのない鮮明な視野
観察像を提供する。

【００１０】カンチレバー２２の上面で反射されるレー
ザー光は、対物レンズ８３および１／４波長板を通過
し、ハーフミラー８５で反射され、偏光ビームスプリッ
ター８６に導かれる。１／４波長板８４を通過する際、
レーザー光は入射時に対して振動面が９０゜回転した直
線偏光に変換される。ビームスプリッター８６に入射す
るレーザー光は二分され、一方は第１の臨界角プリズム
８８ａを介して第１の２分割受光素子８９ａに照射さ
れ、他方は第２の臨界角プリズム８８ｂを介して第２の
２分割受光素子８９ｂに照射される。カンチレバーの位
置検出には臨界角法が使用される。臨界角法の原理を図
７を参照して簡単に説明する。臨界角法において、臨界
角プリズムｃは、レンズｂから平行光束が入射される際
に、平行光束とプリズムの反射面のなる角が臨界角にな
るように配置される。

【００１１】反射面ａが対物レンズｂの焦点位置（実線
Ｂで示される位置）にあるとき、すなわちビームが合焦
状態にあるとき、反射面ａからの反射光は、レンズｂで
平行光束にされて臨界角プリズムｃに入射される。この
とき、光束はすべてプリズムの反射面で全反射され、２
分割受光素子の各フォトダイオードに等量の光が供給さ
れる。

【００１２】一方、反射面ａがレンズｂの焦点より近い
位置（点線Ａで示される位置）にある場合、レンズｂを
透過する光は発散光束となり、臨界角プリズムｃに入射
する。逆に反射面ａがレンズｂの焦点より遠い位置（点
線Ｂで示される位置）にある場合、レンズｂを透過する
光は集束光束となり、臨界角プリズムｃに入射する。い
ずれの場合も非平行光束が臨界角プリズムｃに入射され
る。これらの場合、中心光線のみが臨界角で入射され、
中心から一方にある光束の入射角は臨界角よりも小さく
なるので、光の一部は屈折プリズム外に射出されて残り
の光だけが反射される。逆に中心の反対側にある光束
は、入射角が臨界角よりも大きくなるので全反射され
る。この結果、２分割受光素子に入射される光量が左右
のフォトダイオードで異なり、光量の差に対応した信号
が差動アンプｅを介して出力端子ｆから出力される。す
なわち、反射面ａの位置は、２分割受光素子ｄの検出面
の光量差として検出される。

【００１３】このように、臨界角より小さい角度で入射
された光は、反射面に当たるたびに光の一部が臨界角プ
リズムの外に射出されるので、屈折成分の光量が著しく
減少する。このため、臨界角より小さい角度で入射する
光と、臨界角より大きい角度で入射する光の光量の差が
大きく拡大される。従って、測定精度を向上させるた
め、臨界角プリズム内において数回の反射が繰り返され
るのが望ましい。この実施例では、臨界角プリズム内に
おいて検出光は２回反射される。第１の２分割受光素子
のフォトダイオードＰＤ１の出力は、図８に示すよう
に、比較器１０２の反転入力端子に入力され、またフォ
トダイオードＰＤ２の出力は、比較器１０２の非反転入
力端子に入力され、フォトダイオードＰＤ１とフォトダ
イオードＰＤ２の出力の差が比較器１０２から出力され
る。一方、第２の２分割受光素子のフォトダイオードＰ
Ｄ３の出力は、比較器１０４の反転入力端子に入力さ
れ、フォトダイオードＰＤ４の出力は、比較器１０４の
非反転入力端子に入力され、フォトダイオードＰＤ１と
フォトダイオードＰＤ２の出力の差が比較器１０４から
出力される。比較器１０２と比較器１０４の出力は、加
算されて比較器１０６の一端子に入力され、基準値と比
較された結果が出力される。従って、２分割受光素子に
照射されるビームスポットの中心線を境に２分される領
域の光量の差、すなわちカンチレバー２２の位置を示す
信号が端子１０８から出力される。

【００１４】本装置において、試料２６は図示していな
いｘｙｚ駆動装置（例えば円筒アクュエータ）に載置さ
れていて、試料２６をｘｙ平面に数１０サイクルでラス
ター走査し、その間に直接的に得られるカンチレバーの
変位を示す信号あるいはカンチレバーの変位を一定に保
つようにｚ方向にサーボをかけたときに得られるサーボ
信号を走査信号に同期させて処理することによりＡＦＭ
像を得ている。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】上述した干渉法や光テ
コ法や合焦検出法を適用したカンチレバーの変位検出系
はいずれも構成が大きく重くなるため、通常、探針と試
料の間のラスター走査は、数ｍｍ角のＨＯＰＧ片やＳｉ
片や半導体片等の試料をアクチュエーターに載せ、試料
の側を動かして行なっている。このような走査によって
観察される範囲は１０〜２０μｍ平方程度と非常に狭
い。

【００１６】表面の粗さをｎｍオーダーで測定する場合
や半導体のプロセス中の構造を見る場合など、８インチ
ウェハー等の部品をそのまま測定する必要が生じてき
た。このため、試料を載置するステージを大型にすると
ともに剛性を高めると、必然的に重量が大きくなる。こ
のため、試料を動かしてラスター走査を行なうには、試
料とステージを合わせた重量が大きいため慣性が大きく
なり、制御が非常に困難となる。本発明は、大型の試料
を観察できる原子間力顕微鏡を提供することを目的とす
る。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明の原子間力顕微鏡
は、探針の反対側の面の自由端部に反射面を有している
カンチレバーと、カンチレバーの反射面に向けて所定の
一定角度でレーザービームを射出する発光部と、カンチ
レバーを支持する支持部と、探針が試料表面を走査する
ように支持部を移動可能に支持している走査手段と、カ
ンチレバーの反射面からのレーザービームを受光して探
針の変位を検出する変位検出手段と、走査手段と変位検
出手段で得られる信号に基づいて画像を形成する手段と
を備えている。

【００１８】

【作用】本発明では、探針付カンチレバーの固定端と発
光部とがカンチレバ−の反射面に向けて所定の一定角度
でレ−ザ−ビ−ムを射出している状態を保って支持部に
固定されている。発光部は例えば半導体レーザーで構成
される。あるいはレーザー光源に光学的に結合された光
ファイバーや光導波路の端面で構成される。カンチレバ
ーと発光部と支持部は走査部を構成する。また、変位検
出手段は例えば二分割フォトダイオードで構成され、走
査部とは別に顕微鏡本体に設けられる。探針の走査は走
査手段により走査部を動かすことにより行なわれる。試
料は一般的な大型ステージに載置され、測定部分の変更
は大型ステージにより試料を移動して行なわれる。これ
により大型の試料に対してＡＦＭ測定が行なえる。

【００１９】

【実施例】次に図面を参照しながら本発明の原子間力顕
微鏡の実施例について説明する。

【００２０】本実施例の原子間力顕微鏡の変位検出系の
構成を図１に示す。図１に示すように、本実施例の装置
は、試料３を光学的に観察するための対物レンズＬ１を
備えている。対物レンズＬ１は、鏡体１に取り付けられ
た鏡筒５の下端に固定されている。試料３からの試料観
察光ＯＬは、この対物レンズＬ１を介して図示しない光
学顕微鏡に入射し、試料表面が光学的に観察される。

【００２１】対物レンズＬ１を支持する鏡筒５の周りに
は、鏡体１によって支持された円筒型アクチュエーター
４が設けられている。円筒型アクチュエーター４は、そ
の自由端を三次元方向に移動することができる。円筒型
アクチュエーター４の自由端には円形の開口を有する円
盤６が取り付けられている。円盤６には、レーザーダイ
オードＬＤとカンチレバー９の支持部７が開口の中心に
対して対向するように取り付けられている。カンチレバ
ー９は先端部すなわち自由端部の下面に探針８を有し、
その反対側すなわち上面に反射ミラー１０を有してい
る。そして、レーザーダイオードＬＤは、その射出ビー
ムＬＢ１がカンチレバー９の反射ミラー１０に所定の角
度で入射するように取り付けられている。そして、例え
ばカンチレバー９は、探針先端と試料表面との間に原子
間力が作用していない図示の状態のときに、ミラー１０
ーで反射されたレーザービームＬＢ２が光軸Ｃに平行に
なる角度で取り付けられている。

【００２２】対物レンズＬ１の上方には、カンチレバー
９のミラー１０からのレーザービームを右方向に反射す
るハーフミラー１２が設けられている。ハーフミラー１
２の右方には、レンズＬ２が設けられている。レンズＬ
２の先には、二分割フォトダイオード１１が配置されて
いる。二分割フォトダイオード１１は、対物レンズＬ１
の後焦平面Ｆ１に配置されれば良いが、この場合は観察
光ＯＬを遮らないように対物レンズＬ１の後焦平面Ｆ１
をレンズＬ２でリレーし、後焦平面Ｆ１と共役な後焦平
面Ｆ２の位置で鏡体１に固定されている。二分割フォト
ダイオード１１は隣接した二つの受光部を有し、探針先
端と試料表面との間に原子間力が作用していない図示の
状態のときに、レーザービームが二つの受光部の境界線
Ｏ₁上に入射するように配置されている。

【００２３】次に、二分割フォトダイオード１１へのレ
ーザービームの入射位置が、探針８のｘｙ方向の位置に
依らず、ｚ方向の位置のみに依存して変化することにつ
いて、図１と図２を参照しながら説明する。図１には原
子間力が働いていない状態の二つの探針が示してあり、
図２には原子間力によりｚ方向に同じ量だけ変位してい
る状態の二つの探針が示してある。

【００２４】図１に示すように、探針８が試料上の点Ｐ
１の位置にあるとき、カンチレバー９のミラー１０で反
射されたレーザービームＬＢ２は光軸Ｃに平行に対物レ
ンズＬ１に入射する。対物レンズＬ１で屈折されたレー
ザービームＬＢ２は焦点ＩＡを通過し、ハーフミラー１
２で反射されてレンズＬ２を介して二分割フォトダイオ
ード１１上の境界線Ｏ₁上に入射する。

【００２５】また、探針８が点Ｐ２の位置にあるとき
も、探針先端と試料表面との間には原子間力は作用して
いないため、カンチレバー９のミラー１０の向きは探針
８が点Ｐ１にあるときと同じである。従って、レーザー
ダイオードＬＤからのレーザービームＬＢ１⁺ は、レー
ザービームＬＢ１に平行すなわち光軸Ｃに平行に対物レ
ンズＬ２に入射する。このため、レーザービームＬＢ２
⁺ も焦点ＩＡを通り、ハーフミラー１２で反射されレン
ズＬ２で偏向された後、二分割フォトダイオード１１上
のレーザービームＬＢ１の入射位置と同じ位置つまり二
つの受光部の境界線Ｏ₁上に入射する。

【００２６】図２には、原子間力を受けて探針８が上方
にΔだけ移動した状態が示してある。探針８が点Ｐ１に
あるときにカンチレバー９の反射ミラー１０で反射され
たレーザービームＬＢ３と、探針が点Ｐ２にあるときに
カンチレバー９の反射ミラー１０で反射されたレーザー
ビームＬＢ３⁺ は、共に光軸Ｃに対してαの角度で対物
レンズＬ１に入射する。レーザービームＬＢ３とＬＢ３
⁺ は平行であるから、対物レンズＬ１の後焦平面Ｆ１上
では同一の点ＩＢを通過する。従って、レーザービーム
ＬＢ３とＬＢ３⁺ は二分割フォトダイオード１１上の境
界線Ｏ₁とは異なる同一点に入射する。光軸Ｃ（点Ｉ
Ａ）から点ＩＢまでの距離をｄ、レンズＬ２の倍率をＭ
とすると、レーザービームの中心は二分割フォトダイオ
ード１１の受光部の境界からＭｄだけ離れた点に入射す
る。

【００２７】このように探針８のｚ方向の位置すなわち
カンチレバー９の変位が同じであれば、探針８のｘｙ方
向の位置に関係なく、レーザービームは二分割フォトダ
イオード１１の同じ位置に入射する。従って、各受光部
からの出力の差を取ることにより探針８のｚ方向の位置
を検出できる。又、対物レンズの観察実視野を２ｍｍφ
とすれば、探針は１〜１．５ｍｍ平方と広範囲をＡＦＭ
測定できる。

【００２８】本発明は上述した実施例に限定されること
なく、種々多くの変形が可能である。実施例ではカンチ
レバーに設けた反射ミラーにレーザービームが直接照射
されるようにレーザーダイオードを取り付けたが、レー
ザーダイオードを走査部とは別に設け、光ファイバーや
光導波路を用いてレーザービームを導いてもよい。光フ
ァイバーを用いた変形例を図２（Ａ）に、光導波路を用
いた変形例を図２（Ｂ）に示す。図２（Ａ）において、
光ファイバー１４は、その射出端から射出されたレーザ
ービームがカンチレバー９の反射ミラー１０に入射する
向きで、走査の邪魔にならないように円盤６に取り付け
られている。光ファイバー１４の入力端は走査部とは別
に設けた光源に結合されている。図２（Ｂ）において
は、円筒型アクチュエーター４に光導波路１５が設けら
れている。カンチレバー９の支持部もまた光導波路１６
で形成されている。光導波路１６は、レーザーダイオー
ドＬＤから光を導入する光導波路１５に光結合されてい
る。カンチレバー９の自由端部にはプリズムやフレネル
レンズ等の偏向素子１７が設けられていて、この偏向素
子１７によって光導波路１６から射出されたレーザービ
ームが所定の方向に曲げられる。

【００２９】

【発明の効果】本発明では、試料は一般的な大型ステー
ジに載置し、走査は走査部を移動させて行ない、測定部
分の変更は大型ステージにより試料を移動して行なわれ
るので、大型の試料に対してＡＦＭ測定が行なえる。ま
た、走査部は軽量小型に構成され、従って慣性も小さい
ので走査時の制御が容易に行なえるとともに、高速での
走査も可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原子間力顕微鏡の実施例を示す。

【図２】図１のカンチレバーが変位したときのレーザー
ビームの光路を示す。

【図３】図１に示した原子間力顕微鏡の変形例を示す。

【図４】光てこ法によるカンチレバー変位検出系を示
す。

【図５】ガラス材の反射率曲線を示す。

【図６】従来の観察光学系一体型ＡＦＭの光学系を示
す。

【図７】臨界角法の原理を説明するための図である。

【図８】図６のフォトダイオードに接続される回路を示
す。

【符号の説明】

４…円筒型アクチュエーター、６…円盤、８…探針、９
…カンチレバー、１０…反射ミラー、１１…二分割フォ
トダイオード。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】カンチレバーの自由端部に取り付けた探
針を試料の表面に沿って走査し、探針先端と試料表面の
原子間に作用する力に基づいて試料の物理特性を測定す
る原子間力顕微鏡であり、探針の反対側の面の自由端部に反射面を有しているカン
チレバーと、カンチレバーの反射面に向けて所定の一定角度でレーザ
ービームを射出する発光部と、カンチレバーを支持する支持部と、探針が試料表面を走査するように支持部を移動可能に支
持している走査手段と、カンチレバーの反射面からのレーザービームを受光して
探針の変位を検出する変位検出手段と、走査手段と変位検出手段で得られる信号に基づいて画像
を形成する手段とを備えている原子間力顕微鏡。