JPH06194155A - 探針走査型顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 探針をアクチュエータに取り付けて動かすよ
うにした探針走査型顕微鏡に用いることができる小型で
軽量な探針変位検出方式を提供し、ウェハなど大きな試
料を扱える広帯域の制御系を有する探針走査型顕微鏡を
実現する。 【構成】 原子間力顕微鏡などのカンチレバー状の探針
を試料に対して微少距離まで近づけ、両者の間に働く原
子間力などの微小な力を前記探針の変位として検出し、
前記探針を前記試料表面上を走査させることにより、前
記試料の形状や表面の物性などを測定するようにした探
針走査型顕微鏡において、前記カンチレバー状の探針上
に光導波路を形成し、この光導波路の先端から発せられ
る光の位置の変化から前記探針の位置を検出するように
したことを特徴とする。

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（以
下、単にＡＦＭという）など、カンチレバー状の探針を
試料に対して微小距離まで近づけて、探針と試料の間に
作用する原子間力などの微小な力を探針の変位として検
出し、探針を試料表面上を走査させることにより、試料
の形状や表面の物性などを測定するようにした探針走査
型顕微鏡に関し、特に、その測定性能を向上させるもの
である。

【０００２】

【従来の技術】ＡＦＭを用いて測定を行う場合、カンチ
レバー状の探針の変位を検出する方法としては図２に示
す光てこ方式が一般的である。この光てこ方式は、試料
に微小距離まで接近して配置された探針の背面のミラー
面にレーザ光源から出射されたレーザ光が照射され、探
針の背面で反射された反射光を２分割フォトダイオード
で受光して、その２つの素子が受光する光量の差をとる
ことにより、探針の変位を検出し、探針と試料の間に働
く力を検出するものである。

【０００３】しかし、この光てこ方式では、探針と光て
この光学系との相対位置を変えることができないため、
探針を走査することができず、試料を圧電アクチュエー
タなどの微動機構に付けて走査することになる。そのた
め、扱える試料の大きさには限度があり、特にニーズの
高い半導体関係の試料においてもウェハサイズのままで
は扱えず、試料を所定の大きさに切断する必要があっ
た。

【０００４】また、ウェハサイズに対応するため、探針
の変位検出系を小型化し、アクチュエータに探針と変位
検出系を付け、両者を一緒に動かす方式も開発されてい
る。これは、スクープ方式で探針の背面で反射するレー
ザダイオードへの戻り光によりレーザダイオードの発振
状態が変化する自己結合効果を利用したものである（図
３）。通常、ＡＦＭでは、探針の変位が一定になるよう
アクチュエータを制御するが、その際、その制御系の帯
域はアクチュエータなどの共振点により制限される。そ
のため、高速で高性能な制御系を構成するためには、ア
クチュエータに取付け、動かすものはできるだけ軽量で
なければならない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記従来技
術の課題を踏まえて成されたものであり、探針をアクチ
ュエータに取り付けて動かすようにした探針走査型顕微
鏡に用いることができる小型で軽量な探針変位検出方式
を提供し、ウェハなど大きな試料を扱える広帯域の制御
系を有する探針走査型顕微鏡を提供することを目的とし
たものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の構成は、原子間力顕微鏡などのカンチレバー
状の探針を試料に対して微少距離まで近づけ、両者の間
に働く原子間力などの微小な力を前記探針の変位として
検出し、前記探針を前記試料表面上を走査させることに
より、前記試料の形状や表面の物性などを測定するよう
にした探針走査型顕微鏡において、前記カンチレバー状
の探針上に光導波路を形成し、この光導波路の先端から
発せられる光の位置の変化から前記探針の位置を検出す
るようにしたことを特徴とする。また、前記探針上に形
成された前記光導波路の先端部に向かい合う位置に受光
用の光導波路を形成し、この受光用の光導波路に入射す
る光量から前記両者の光導波路の光軸のずれを検出し、
前記探針の変位を検出するようにしたことを特徴とす
る。

【０００７】

【作用】本発明によれば、探針の変位を検出する光学系
をシリコンのマイクロ加工により探針と一体で作製する
ことができ、小型で軽量である。

【０００８】

【実施例】以下、本発明を図面に基づいて説明する。図
１は本発明の探針走査型顕微鏡の探針の変位を検出する
光学系の一実施例を示す構成図、およびその動作説明図
である。図１（イ）において、１は針先部、２はカンチ
レバー部、３はカンチレバー部２上に形成された出射用
の直線導波路、４は受光用の直線導波路である。針先部
１はカンチレバー部２の先端部に形成されており、ま
た、出射用の直線導波路３もカンチレバー部２上に形成
されている。図中、左から入射した光は、出射用の直線
導波路３から出射し、受光用の直線導波路４に受光され
る。なお、これらの構成要素は、シリコン基盤を用いて
作られ、カンチレバー部２などの微細形状は異方性エッ
チングにより作られる。また、針先部１は集束イオンビ
ーム（ＦＩＢ）などの手法により作製することができ
る。

【０００９】このような構成において、図１（ロ）は、
針先部１に力が加わっていない状態の場合である。この
場合、カンチレバー部２は変形しないため、出射用の直
線導波路３から自由空間に出射した光は、僅かな損失で
受光用の直線導波路４に入射する。

【００１０】また、図１（ハ）は、針先部１に力が加わ
った場合である。この場合、カンチレバー部２は、その
力により変形し、そのため、出射用の直線導波路３と受
光用の直線導波路４の光軸にずれが生じる。したがっ
て、出射用の直線導波路３より出射した光の一部のみ
が、受光用の直線導波路４に入射する。

【００１１】このように、針先部１に力を受けると、そ
れによりカンチレバー部２が変形し、その変形を受光用
の直線導波路４に入射する光量の減少により検出するこ
とができる。

【００１２】なお、上記実施例において、出射用の直線
導波路３より出射した光を、距離を離した位置に２分割
フォトダイオードなどの受光素子を配置して、受光する
構成とすることで、より高分解能な測定も可能となる。

【００１３】このように、上記実施例によれば、探針の
変位を検出する光学系をシリコンのマイクロ加工により
探針と一体で作製できるため、小型で軽量であり、アク
チュエータに取付けて動かす場合においても、広帯域な
制御系を構成することができる。また、探針交換の際、
従来の光てこ方式などでは、レーザ光の照射される位置
を調整する必要があり、作業効率が悪く、また、探針の
自動交換などにも不向きであったが、本方式によれば、
取付け後の調整が不要となるため、作業効率が向上し、
また、探針の自動交換なども行える。

【００１４】

【発明の効果】以上、実施例と共に具体的に説明したよ
うに、本発明によれば、探針をアクチュエータに取り付
けて動かすようにした探針走査型顕微鏡に用いることが
できる小型で軽量な探針変位検出方式を実現でき、ウェ
ハなど大きな試料を扱える広帯域の制御系を有する探針
走査型顕微鏡を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の探針走査型顕微鏡の一実施例を示す構
成図である。

【図２】光てこ方式の探針走査型顕微鏡の従来例であ
る。

【図３】探針と変位検出系を同時に動かすようにした装
置の従来例である。

【符号の説明】

１ 針先部 ２ カンチレバー部 ３ 出射用の直線導波路 ４ 受光用の直線導波路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 原子間力顕微鏡などのカンチレバー状の
   探針を試料に対して微少距離まで近づけ、両者の間に働
   く原子間力などの微小な力を前記探針の変位として検出
   し、前記探針を前記試料表面上を走査させることによ
   り、前記試料の形状や表面の物性などを測定するように
   した探針走査型顕微において、 前記カンチレバー状の探針上に光導波路を形成し、この
   光導波路の先端から発せられる光の位置の変化から前記
   探針の位置を検出するようにしたことを特徴とする探針
   走査型顕微鏡。
2. 【請求項２】 請求項１記載の探針走査型顕微鏡におい
   て、 前記探針上に形成された前記光導波路の先端部に向かい
   合う位置に受光用の光導波路を形成し、この受光用の光
   導波路に入射する光量から前記両者の光導波路の光軸の
   ずれを検出し、前記探針の変位を検出するようにしたこ
   とを特徴とする探針走査型顕微鏡。