JPH06241775A

JPH06241775A - 原子間力センサヘッド

Info

Publication number: JPH06241775A
Application number: JP2401793A
Authority: JP
Inventors: Masakazu Hayashi; 正和林; Fumihiko Ishida; 文彦石田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1993-02-12
Filing date: 1993-02-12
Publication date: 1994-09-02

Abstract

(57)【要約】【目的】カンチレバ−部の大きさに関係なくレバ−本体
の変位量を高精度に検出することが可能な原子間力セン
サヘッド。【構成】試料に近付けられる探針チップ５と、この探針
チップ５が突設され試料と探針チップ５との間に発生し
た原子間力に応じて弾性的に変位するレバ−本体４とを
有するカンチレバ−部３を備えた原子間力センサヘッド
において、レバ−本体４に変位センサ部６を形成すると
ともに、この変位センサ部６がレバ−本体の変位量に応
じて静電容量を変化させるコンデンサα_i1、α_i3、…を
有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば原子間力顕微鏡
（ＡＦＭ）に備えられて原子間力を検出する原子間力セ
ンサヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）におい
ては、カンチレバ−が備えられており、このカンチレバ
−には尖鋭な探針が突設されている。探針が試料に近づ
けられると、探針と試料との間に原子間力が発生し、原
子間力の大きさに応じてカンチレバ−が撓む。そして、
このカンチレバ−の変位が測定される。

【０００３】さらに、カンチレバ−の変位を測定する方
法として、レ−ザ光等を用いた光てこ方式が知られてい
る。光てこ方式の測定技術を記載した文献として、例え
ば以下の資料１が在る。資料１：Meyer et al,“Novel optical approach to at
omic force microscopy” Appl.Phys.Lett.53
(12), 19 September 1988

【０００４】しかし、光てこ方式においては、変位の検
出感度は高いものの、数 100μｍオ−ダの小さなカンチ
レバ−に正確にレ−ザ光を照射し、アライメントする必
要があるため、以下のような不具合がある。 (1) アライメントのため微動機構が必要であり、構成が
複雑である。 (2) カンチレバ−と変位検出器を一体化する必要があ
り、ＡＦＭのセンサヘッドが大型化する。 (3) カンチレバ−が微小なため、(1) のように微動機構
を用いても、なおかつアライメント作業が面倒である。

【０００５】そこで、このような不具合を解決するため
に、カンチレバ−に変位センサを内蔵することが行われ
ている。カンチレバ−に変位センサを内蔵すれば、カン
チレバ−を試料に接近させるだけでカンチレバ−の変位
を検出できるので、ＡＦＭの構成が簡略化される。そし
て、このようなカンチレバ−は、例えば以下の資料２〜
４に示されている。資料２：特開平３−２０９１０４号公報資料３：特開昭６２−１５６５０２号公報資料４：特願平２−１８４００６号明細書（本出願人に
よる）

【０００６】資料２においては、帯状金属の片面に圧電
素子が取付けられ、カンチレバ−の曲げ歪みに伴って発
生する電圧が利用される。また、資料３、４において
は、カンチレバ−にピエゾ抵抗が作り込まれ、カンチレ
バ−の曲げ歪みに伴う抵抗値変化が電気信号として取り
出される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前掲の資料
２〜４に示されているようなセンサ内蔵型のカンチレバ
−にとって重要な要素は、力の検出感度と固有振動数で
あり、双方が共に高いことが望ましい。

【０００８】すなわち、より小さな力（カンチレバ−に
作用する原子間力）の検出を可能にするとともに、外部
振動の影響が検出精度に及ぶことを防ぐためには、カン
チレバ−の固有振動数が大きいことが望ましい。そこ
で、同一のばね定数を維持しながら（歪みを一定に保ち
ながら）固有振動数を大きくするためには、カンチレバ
−の大きさを相似的に小さくする必要がある。

【０００９】一方、カンチレバ−の長さを単に小さくす
ると、センサ（資料２では圧電素子、資料３、４ではピ
エゾ抵抗素子）も小さくなる。この結果、同一のばね定
数を維持したとしても、センサから得られる出力は小さ
くなる。したがって、過度にカンチレバ−を小さくした
場合には、原子間力に対する検出感度を高めることがで
きない。

【００１０】本発明の目的とするところは、カンチレバ
−部の大きさに関係なくレバ−本体の変位量を高精度に
検出することが可能な原子間力センサヘッドを提供する
ことにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段および作用】上記目的を達
成するために本発明は、試料に近付けられる探針チップ
と、この探針チップが突設され試料と探針チップとの間
に発生した原子間力に応じて弾性的に変位するレバ−本
体とを有するカンチレバ−部を備えた原子間力センサヘ
ッドにおいて、レバ−本体に変位センサ部を形成すると
ともに、この変位センサ部がレバ−本体の変位量に応じ
て静電容量を変化させるコンデンサを有することにあ
る。こうすることによって本発明は、カンチレバ−部の
大きさに関係なくレバ−本体の変位量を高精度に検出で
きるようにしたことにある。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の各実施例を図１〜図１３に基
づいて説明する。

【００１３】図１及び図２は本発明の第１実施例を示し
ており、図中の符号１は、例えば原子間力顕微鏡（ＡＦ
Ｍ）の本体に連結された原子間力センサヘッド（以下、
センサヘッドと称する）である。

【００１４】このセンサヘッド１はベ−ス部２とカンチ
レバ−部（以下、レバ−部と称する）３とにより構成さ
れており、カンチレバ−部３は、レバ−本体４、探針チ
ップ（以下、チップと称する）５、及び、変位センサ部
（以下、センサ部と称する）６を有している。レバ−本
体４は三角形の板状に成形されており、チップ５はレバ
−本体４の先端に略垂直に突設されている。

【００１５】レバ−部３の作製には半導体製造技術が利
用されている。つまり、ベ−ス部２の材質には主にＳｉ
単結晶が用いられる。Ｓｉ基板の表面にｎ層（例えば三
層）の多層膜が積層され、この多層膜の所定位置にチッ
プ５が突設される。この後、多層膜にレバ−本体４とセ
ンサ部６が焼付け加工される。さらに、Ｓｉ基板が異方
性エッチングされ、レバ−本体４の周囲のＳｉが除去さ
れて、多層膜からなるレバ−部２が作製される。なお、
図３はレバ−部２の作製プロセスを概略的に示してお
り、図４はチップ５の作製プロセスを概略的に示してい
る。

【００１６】チップ５はトライポッド形状に成形されて
おり、チップ５の先端は極めて鋭く加工されている。Ａ
ＦＭにおいては、計測によって得られる形状の空間分解
能がチップ５の先端半径Ｒに依存するため、このＲが十
分に小さいことが望ましい。したがって、本実施例にお
いては、Ｒは50〜5000オングストロ−ム程度に設定され
ている。つぎに、センサ部６について説明する。

【００１７】センサ部６はレバ−本体４の根元の部分に
位置しており、矩形波状の溝７を有している。溝７はレ
バ−本体４を厚さ方向に貫通しており、レバ−本体４を
固定側Ｓと可動側Ｍとに分けている。固定側Ｓはベ−ス
部２と一体であり、ベ−ス部２に対して不可動状態を維
持している。また、可動側Ｍは、固定側Ｓよりもレバ−
本体４の先端側の部分を構成しており、両端部のみをベ
−ス部２に連結している。そして、可動側Ｍはベ−ス部
２に方持ち支持されており、チップ５に作用した力に応
じて弾性的に変位する。

【００１８】図５はセンサ部６の詳細を表している。な
お、実際には固定側Ｓと可動側Ｍとが溝７を介して互い
に噛合っているが、図５ではそれぞれの構造を表示する
ため、両者を離して示している。

【００１９】固定側Ｓと可動側Ｍとには、複数の固定体
８ａ、８ｂ、…（三つのみ図示）及び可動体９ａ、９
ｂ、…（二つのみ図示）が櫛歯状に形成されている。固
定側Ｓと可動側Ｍとは互いに噛合っており、固定体８
ａ、８ｂ、…と可動体９ａ、９ｂ、…とは交互に略等間
隔で並んでいる。さらに、固定体８ａ、８ｂ、…と可動
体９ａ、９ｂ、…は互いの側面を対向させている。

【００２０】固定体８ａ、８ｂ、…及び可動体９ａ、９
ｂ、…は共に三層構造を有しており、それぞれにおいて
は導電性材料（例えばＷＳ_ix）と絶縁性材料（例えばＳ
ｉＯ₂）が交互に積層されている。固定体８ａ、８ｂ、
…においては最上層及び最下層が導電層Ｓ_i1、Ｓ_i3（i=
1,2,…）であり、中間層Ｓ_i2（i=1,2,…）が絶縁層であ
る。また、可動体９ａ、９ｂ、…においては最上層及び
最下層が絶縁層Ｍ_i1、Ｍ_i3（i=1,2,…）であり、中間層
Ｍ_i2（i=1,2,…）が導電層である。

【００２１】ここで、図５中の符号Ｚ₁は固定体８ａ、
８ｂ、…の長さを示しており、符号Ｚ₂は幅を示してい
る。さらに、ｐは各層の厚さを示しており、各層の厚さ
ｐは一致している。

【００２２】また、符号１０…は配線部である。この配
線部１０…は固定側の導電層Ｓ_i1、Ｓ_i3から導出されて
いるが、図面を簡略化するため、一部の最上層の導電層
Ｓ_i1と繋がったもののみを図示する。

【００２３】図６に等価回路で示すように、固定側の最
上層及び最下層は一つ置きに並列に組合わされている。
再上層の各組は端子Ｐ_S1- もしくはＰ_S1+ に接続され、
最下層の各組は別の端子Ｐ_S3- もしくはＰ_S3+ に接続さ
れている。そして、端子Ｐ_S1- とＰ_S1+ 、及び、Ｐ_S3-
とＰ_S3+ の間には所定の値の電圧が印加される。

【００２４】なお、配線部１０…や端子Ｐ_S1- 、Ｐ_S1+
、Ｐ_S3- 、Ｐ_S3+ には導電層と同じ材質が用いられて
いる。そして、配線部１０…や端子はベ−ス部２に形成
されている。つぎに、上述のセンサ部６の作用を説明す
る。

【００２５】図１中のチップ５に外力Ｆが作用すると、
この外力Ｆの大きさに応じて、レバ−部３がベ−ス部２
の側を支点として曲る。レバ−部３は、原子間力が引力
の時は下方向（図１中の＋方向）に曲り、斥力の時には
上方向（図１中の−方向）に曲がる。いずれの場合に
も、固定体８ａ、８ｂ、…は変位せず、可動体９ａ、９
ｂ、…のみが変位する。さらに、可動体９ａ、９ｂ、…
は、外力Ｆが＋方向の場合には上方向へ変位し、−方向
の場合には下方向へ変位する。

【００２６】図５中に示すように、可動側の導電層Ｍ_i2
の変位量をｘとすると、外力Ｆと変位量ｘは以下の
（１）式で示すように比例する。なお、変位方向の正負
を図５中に示すよう（上方向が＋、下方向が−）に定め
ると、外力Ｆと変位量ｘの符号の関係が一致する。

【００２７】

【数１】

【００２８】一方、固定側Ｓにおいては各導電層に電圧
が印加されており、隣り合った二つの導電層が一つのコ
ンデンサを構成している。つまり、最上層おいては、Ｓ
₁₁とＳ₂₁、Ｓ₂₁とＳ₃₁、…が所定の間隔ｈで互いの側面
を向い合わせており、最下層においては、Ｓ₁₃とＳ₂₃、
Ｓ₂₃とＳ₃₃、…が同様に側面を向い合わせている。

【００２９】以下では、導電層Ｓ_i1とＳ_(i+1)1、及び、
Ｓ_i3とＳ_(i+1)3によって構成されたコンデンサにα_i1、
α_i3 (i=1,2,…) の符号を付す。また、各コンデンサα
_i1、α_i3の静電容量をＣ_i1、Ｃ_i3(i=1,2, …) とする。
さらに、図６中の符号ｄは、固定側の導電層Ｓ_i1、Ｓ_i3
と可動側の導電層Ｍ_i2との水平方向間隔を示している。

【００３０】可動側Ｍが静止している場合、固定側Ｓの
各導電層の側面の全面が電極として利用されるが、可動
側の導電層Ｍ_i2が変位した場合、いずれか一方のコンデ
ンサα_i1（もしくはα_i3）のギャップに可動側の導電層
Ｍ_i2が進入し、導電層間が遮られる。つまり、可動側の
導電層Ｍ_i2が各コンデンサα_i1（もしくはα_i3）のギャ
ップに進入すると、進入量に応じて対向面積が減少し、
静電容量が変化する。

【００３１】可動側の導電層Ｍ_i2が＋ｘの方向に変位し
た場合には、この導電層Ｍ_i2が上層のコンデンサα_i1の
ギャップに進入し、−ｘの方向に変位した場合には、下
層のコンデンサα_i3のギャップに進入する。

【００３２】一般に、コンデンサの静電容量が対向電極
の面積に比例し、電極間のギャップの大きさに反比例す
ることを考えると、例えば導電層Ｓ₁₁とＳ₂₁が構成する
コンデンサα₁₁の容量Ｃ₁₁は以下の（２）式のように表
される。

【００３３】

【数２】

【００３４】コンデンサのエッヂ効果を無視すれば、こ
のＣ₁₁はｘの一次の変化に比例することが分かる。ま
た、他の導電層Ｓ₂₁とＳ₃₁が構成するコンデンサの容量
Ｃ₂₁、Ｓ₃₁とＳ₄₁が構成するコンデンサの容量Ｃ₃₁につ
いても同様である。各コンデンサα_i1は端子Ｐ_S1- 、Ｐ
_S1+ に対して並列に接続されているので、上層のコンデ
ンサα_i1の合成容量は以下の（３）式によって表され
る。また、下層のコンデンサ群α_j3についても同様に、合成
容量は以下の（４）式のように表される。従って、（２）式より、それぞれの合成容量は以下の
（５）式のように表される。

【００３５】

【数３】また、（１）式から分かるように、外力Ｆと変位量ｘと
は比例しているので、合成容量Ｃ₁、Ｃ₃の変化から外
力Ｆを算出することができる。

【００３６】合成容量Ｃ₁、Ｃ₃の検出回路の一例を図
７に示す。容量Ｃ₁、Ｃ₃のコンデンサを一定容量
Ｃ₀₁、Ｃ₀₃のコンデンサと共にブリッジ回路に組込み、
入力として数10〜数10ＭHzの交流信号Ｖ_inを印加すれ
ば、Ｃ₁、Ｃ₃の変化がＶ_out信号の変化として表れ
る。Ｖ_inとＶ_outとの関係は以下の（６）式によって表
される。このとき、Ｃ₀₁、Ｃ₀₃はｘ＝０、即ち無外力の
時のＣ₁、Ｃ₃の値に設定する。

【００３７】

【数４】

【００３８】予め外力Ｆと出力電圧Ｖ_outとの間の関係
を調べて校正テ−ブル等を作成し、Ｖ_out信号を図示し
ないコンピュ−タ等の処理回路に取込んで校正テ−ブル
と参照すれば、外力Ｆを求めることができる。

【００３９】また、特に外力Ｆを求める必要が無く、チ
ップ５に一定の力が働くようにフィ−ドバック制御を行
うだけで良い場合には、Ｖ_outをフィ−ドバック用の信
号として用いてもよい。

【００４０】このようなセンサヘッド１においては、セ
ンサ部６が導電性材料や絶縁性材料を積層してなる多層
膜により校正されているので、センサ部６の作製が容易
である。つまり、従来の圧電素子を用いる方式やピエゾ
抵抗を作り込む方式は、半導体製造技術では一般にあま
り使用されない材料を用いたり（圧電タイプ）、ボロン
をド−プする等の複雑なプロセスを必要とした（ピエゾ
タイプ）のに対し、本実施例のセンサヘッド１において
は、導電性材料と絶縁性材料という半導体製造技術にお
いては極めて基礎的な材料が用いられている。このた
め、従来の半導体製造技術（材料、製造プロセス共に）
を適用できるという利点がある。

【００４１】また、本実施例のセンサヘッド１において
は、コンデンサα_i1、α_i3の静電容量Ｃ_i1、Ｃ_i3はｈや
ｄの大きさに反比例する。ｈはコンデンサα_i1、α_i3の
ギャップを表しており、ｄは固定側の導電層Ｓ_i1（もし
くはＳ_i3）と可動側の導電層Ｍ_i2との水平距離を表して
おり、これらｈ、ｄはレバ−部３の大きさに比例した値
である。したがって、センサヘッド１においては、レバ
−部３を小さくすればコンデンサα_i1、α_i3の静電容量
が大きくなり、検出感度が高まる。また、例え検出感度
が高まらない場合でも、レバ−部３が小型化されても検
出感度を維持することができる。

【００４２】さらに、従来のピエゾ方式では温度ドリフ
トが大きい（ピエゾ抵抗率が温度係数を持つ）のに対
し、本実施例では、コンデンサが温度に対し比較的安定
であるため、力検出感度が安定しているという利点があ
る。なお、本発明は、上述の一実施例に限定されるもの
ではなく、種々に変形することが可能である。

【００４３】例えば、本実施例では固定体８ａ、８ｂ、
及び可動体９ａ、９ｂ、…が共に三層構造であり、可動
体９ａ、９ｂ、…においては中間層のみが導電層Ｍ_i2で
あるが、図８の第２実施例のように五層或いはそれ以上
の奇数(2n+1)層としても、同様に可変容量のコンデンサ
を形成できる。

【００４４】また、例えば図９の第３実施例のように可
動体９ａ、９ｂ、…を導電性材料からなる単一層として
もよく、また、図１０の第４実施例のように可動体９
ａ、９ｂ、…を適当な誘電率を持つ絶縁性材料からなる
単一層としてもよい。可動体９ａ、９ｂが導電性を有し
ていない場合には、絶縁性材料の誘電率の変化を利用す
る必要があるため、絶縁性材料としては、誘電率が空気
と大きく異なる材料、いわゆるＰＺＴ（鉛・亜鉛・チタ
ンの化合物）などの強誘電材料が望ましい。

【００４５】また、本実施例では、固定体８ａ、８ｂ、
…の導電層を二層とし、可動体９ａ、９ｂ、…の導電層
を単層としたが、図示しないしないがこの逆に、固定体
８ａ、８ｂ、…の導電層を単層とし、可動体９ａ、９
ｂ、…の導電層を二層としてもよい。

【００４６】さらに、本実施例では、矩形波状の溝７を
形成して固定側Ｓと可動側Ｍとを分離したが、本発明は
これに限定されるものではなく、例えば図１１の第５実
施例のようにＨ字状の溝２５を形成し、溝のパタ−ンを
適宜単純化してもよい。

【００４７】また、本実施例ではコンデンサα_i1、α_i3
は固定側Ｓのみに形成されているが、例えば図１２及び
図１３の第６実施例のように、可動体９ａ、９ｂ、…を
導電性材料からなる単一層とし、この可動体９ａ、９
ｂ、…に電圧を印加し、固定体８ａ、８ｂ…と可動体９
ａ、９ｂ、…とのそれぞれをコンデンサの対向電極とし
てもよい。この場合の電気的特性は図１３のように表す
ことができる。なお、本発明は、ＡＦＭ以外の走査型プ
ロ−ブ顕微鏡（ＳＰＭ）にも適用可能である。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように本考案は、試料に近
付けられる探針チップと、この探針チップが突設され試
料と探針チップとの間に発生した原子間力に応じて弾性
的に変位するレバ−本体とを有するカンチレバ−部を備
えた原子間力センサヘッドにおいて、レバ−本体に変位
センサ部を形成するとともに、この変位センサ部がレバ
−本体の変位量に応じて静電容量を変化させるコンデン
サを有するものである。したがって本発明は、カンチレ
バ−部の大きさに関係なくレバ−本体の変位量を高精度
に検出できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の要部を示す斜視図。

【図２】変位センサ部の一部を示す拡大図。

【図３】カンチレバ−部の作製プロセスを示す説明図。

【図４】探針チップの作製プロセスを示す説明図。

【図５】変位センサ部を示す説明図。

【図６】変位センサ部の等価回路を示す図。

【図７】静電容量の検出原理を示す回路図。

【図８】第２実施例の要部を示す説明図。

【図９】第３実施例の要部を示す説明図。

【図１０】第４実施例の要部を示す説明図。

【図１１】第５実施例の要部を示す説明図。

【図１２】第６実施例の要部を示す説明図。

【図１３】第６実施例の変位検出センサ部の等価回路を
示す図。

【符号の説明】

１…原子間力センサヘッド、３…カンチレバ−部、４…
レバ−本体、５…探針チップ、６…変位センサ部、Ｓ…
固定側、Ｍ…可動側、８ａ、８ｂ…固定体、９ａ、９ｂ
…可動体、α_i1、α_i3…コンデンサ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料に近付けられる探針チップと、この
探針チップが突設され上記試料と上記探針チップとの間
に発生した原子間力に応じて弾性的に変位するレバ−本
体とを有するカンチレバ−部を備えた原子間力センサヘ
ッドにおいて、上記レバ−本体に変位センサ部を形成す
るとともに、この変位センサ部が上記レバ−本体の変位
量に応じて静電容量を変化させるコンデンサを有するこ
とを特徴とする原子間力センサヘッド。