JPH06249863A

JPH06249863A - 表面構造を画像化するセンサ

Info

Publication number: JPH06249863A
Application number: JP6034155A
Authority: JP
Inventors: Thomas Bayer; トーマス・バイヤー; Johann Greschner; ヨハン・グレシュナー; Martin Nonnenmacher; マルチン・ノーネンマッヘル
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1993-02-15
Filing date: 1994-02-07
Publication date: 1994-09-09
Anticipated expiration: 2012-01-29
Also published as: EP0611945B1; DE59307710D1; EP0611945A1; JP2576826B2

Abstract

(57)【要約】【目的】プローブに及ぼされる力を、ｘ，ｙ，ｚの方
向にほぼ無関係に測定できる、力顕微鏡で用いるセンサ
を提供する。【構成】原子間力にもとづく顕微鏡の作製に用い、そ
して最大３つの成分の力を表すセンサ（１００）を提供
する。このセンサ（１００）は、異なるモード（横およ
びねじれ）の振動を個別に誘起でき、各モードがそれぞ
れ１つの力の方向に対応するように設計されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、多方向の原子間力を測
定する力顕微鏡に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】チューリヒに近いＩＢＭのリュシュリコ
ン（Ｒｕｓｃｈｌｉｋｏｎ）研究所においてＢｉｎｎｉ
ｇとＲｏｈｒｅｒが走査形トンネル顕微鏡を発見して以
来、原子間力を測定するセンサは様々な測定装置、特に
走査形トンネル顕微鏡において用いられている。

【０００３】走査形トンネル顕微鏡では、小さな針（Ｂ
ｉｎｎｉｇおよびＲｏｈｒｅｒの場合にはタングステン
の針）を検査すべき表面に向け、接近して（約１ｎｍ）
配置する。その状態で電圧を印加すると、タングステン
針からの電子が、トンネル効果によって上記表面との間
の隙間を橋渡しする。

【０００４】そして上記針を等距離面（ｘ−ｙ平面）上
で移動させることによって表面を画像化できる。針先端
の表面からの距離は、閉測定ループ内の位置設定要素を
用いて測定電子流が一定となるようにして制御する。

【０００５】従来の“遠隔場（ｄｉｓｔａｎｔｆｉｅ
ｌｄ）”顕微鏡の場合、そのアッベによる分解能は、用
いる放射波の半波長が限界である。これに対して、この
新しいタイプの顕微鏡の主たる特徴は、走査形トンネル
顕微鏡および走査形力顕微鏡は“近接場（ｎｅａｒｆ
ｉｅｌｄ）”顕微鏡であり、その分解能が、用いる相互
作用の波長によって制限されないという点にある。

【０００６】この顕微鏡の分解能は、ｚ方向では１ピコ
・メータ程度であり、ｘ−ｙ方向では、主に針ラインの
トラッキング精度に依存するが、約０．２ｎｍである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、知られている
ように、走査形トンネル顕微鏡にはいくつかの短所があ
る。その１つは、従来の意味で画像領域の表面構造の測
定を行うことはできず、対象表面への探針からの電子の
トンネル確率が等しい領域の測定を行えるのみである。
表面に同様の原子だけを含む材料の場合には、電子トン
ネル確率の画像は、表面の光学的な画像にほぼ一致す
る。しかし、表面が異なる原子の材料から成る場合には
（例えば、多原子結晶）、得られる画像は、従来の光学
顕微鏡で得られる光学的な特徴を表すものではなく、表
面の１つの電気的特性を表すものとなる。

【０００８】このような特性は必ずしも走査形トンネル
顕微鏡の短所を表すものではない。なぜなら、表面の電
気的な特性から、例えば欠陥など、表面の質に関する優
れたデータを得ることができるからである。しかし、こ
の装置は、導電性表面にしか用いることができない。本
来導電性でない材料（特に有機物）の表面を、導電性の
液に浸すことによって強制的に導電性にするという実験
も行われているが、例えばシリコン表面の絶縁酸化物層
のように、意図して絶縁体とし、その機能を保持する必
要があるような場合には、この方法は明かに不適切であ
る。

【０００９】走査形トンネル顕微鏡のさらなる欠点は、
測定のために必要な電子流によって表面が変化する場合
があるということ、すなわち、電子流によって分子構造
が分割される場合があるということである。これは、表
面処理の手段として用いる場合には望ましい作用ではあ
るが、非破壊検査のためには望ましいことではない。

【００１０】このような問題を考慮して、１９８５年に
は早くも、同じＩＢＭのリュシュリコン研究所におい
て、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）が提案されている。Ｂｉ
ｎｎｉｇ、Ｑｕａｔｅ，ならびにＧｅｒｂａｒによって
フィジックス・レビュー・レターズ（５６，９３０，１
９８６年）に開示されたこのＡＦＭでは、非導電性探針
（例えばダイヤモンド）の表面に対する斥力を、弾性力
によって上記探針を押圧することにより測定する。セン
サをこのようなものとすることで、走査形トンネル顕微
鏡の多くの欠点が克服された。特に、非導電性の表面を
画像化することが可能であり、そして非導電性表面の斥
力は、等トンネル確率面より一層直接的に光学的画像に
対応している。

【００１１】しかし、このＡＦＭでも走査形トンネル顕
微鏡の重大な欠点を除去することはできず、ある場合に
は一層悪化する。斥力の測定それ自身、表面に障害を与
えることを助長するものである。例えば、表面の原子を
下部に移動させたり、表面近傍の残留不純物によって汚
染したり、また、そのような不純物を付着させることで
表面に障害を与える。

【００１２】このような問題を考慮して、ＩＢＭのヨー
クタウン研究所においてレーザ力顕微鏡が開発された。
このタイプの力顕微鏡は、ＡＦＭとは異なり、ファン・
デル・ヴァール力のように、遠くに届く“弱い”相互作
用を用いる。この力、従って表面の応力は、ＡＦＭの場
合より数桁小さい。

【００１３】レーザ力顕微鏡の実際の測定原理は、例え
ば圧電トランスジューサを用いて、プローブの共振周波
数あるいはその付近の周波数でプローブを励起し、表面
で生じる力を、共振周波数に対するその影響を観察する
ことにより、測定するというものである。

【００１４】この測定は、有効共振周波数に励起周波数
を追従させ、周波数のシフトを、表面がプローブに及ぼ
す力の測度として用いるか（周波数変調）、あるいは振
幅の低下を周波数シフトの測度として用いることによっ
て行う。

【００１５】最初のレーザ力顕微鏡では細いタングステ
ン線が用いられたが、シリコンの針も開発され、その振
動が、ヘテロダイン・レーザ測定法によって測定され
た。

【００１６】この測定方法は数年に渡って用いられてい
るが、この方法には、力の１つの成分だけしか検出でき
ないとう欠点がある。すなわち、力のベクトルを、誘起
した振動の軸へ投影したものしか検出できない。例え
ば、プローブを窪みの中、あるいはその縁に配置した場
合のように、力のベクトルが表面に直交していない場合
には、測定は本質的に誤ったものとなる。

【００１７】従って、本発明の目的は、プローブに及ぼ
される力を、ｘ，ｙ，ｚの方向にほぼ無関係に測定でき
る、力顕微鏡で用いるセンサを提供することである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明の目的は、次のよ
うなプローブによって達成できる。そのプローブは複数
の方向、望ましくは互いに直交する方向に励起でき、そ
の際、種々の励起モードの共振周波数がそれぞれ１つの
方向で生じ、そして共振周波数が独立している。

【００１９】本発明の特徴は第１に、力の測定によっ
て、表面がセンサに及ぼす力のｘ，ｙ，ならびにｚ成分
をそれぞれ検出できるということである。異なる成分の
測定によって、トータルの強さと共に方向を表す力のベ
クトルを得ることができる。

【００２０】望ましい実施例では、ｘおよびｚ成分は横
振動モードによって測定し、ｙ成分はねじれ振動モード
によって測定する。

【００２１】望ましい実施例では、圧電素子を用いて１
つの方向（例えば、ｚ方向）に励起し、振動の測定は、
表面の影響を受けた状態で、ヘテロダイン・レーザ・シ
ステムによって行う。

【００２２】本発明が関連する部品、装置、ならびに、
手段または処理ステップ（すでに記述したもの、特許請
求の範囲に記載するもの、あるいは以下の実施例に記載
するもの）は、装置化、設計、選択、技術的アーキテク
チャー、あるいは方法論に関して、いかなる特定の例外
をも条件としない。従って、各応用分野における既知の
選択基準を制限なく適用できる。

【００２３】

【実施例】次に本発明のさらなる詳細、特徴、長所につ
いて、本発明の装置および方法を示す図面を参照して説
明する。図１に本発明のセンサの像を示す。図２では１
００によってセンサの全体を指し示す。このセンサのボ
ディー１０に、本実施例では振動を誘起するための圧電
素子を取り付ける。ボディー１０はアーム１１を有し、
アーム１１は休止状態ではベースの上端と同一の高さと
なっている。

【００２４】一方、アーム１１上には探針１２を配置す
る。この探針が、表面から受ける力を実際に測定するプ
ローブとなっている。

【００２５】図２に、それぞれ１つの振動モードを
（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に点線によって示す。図２
（Ａ）には力のｚ成分を測定するための横振動モードＴ
１を、図２（Ｂ）には力のｘ成分を測定するための横振
動モードＴ２を、図２（Ｃ）には力のｙ成分を測定する
ためのねじれ振動モードφ１を示す。この実施例ではｚ
方向が、画像化すべき表面に直角となっている。

【００２６】本実施例では、ねじれ振動モードは、アー
ム１１における質量の分布を非対称とすることによっ
て、誘起できるようにしている。

【００２７】機械的な形態に関して、このセンサでは、
個々の振動モードの周波数が互いに充分に分離され、モ
ードの結合が生じないということが特徴となっている。
従って、各振動は異なる励起周波数によって区別でき
る。本実施例では、約１０００のクオリティーを達成で
きる。しかし、これは利用可能な測定結果を得るために
必ず必要というものではない。さらに、センサの設計
は、力の測定においてアクセスできる周波数の範囲内
に、異なる共振周波数がすべて入るように行う。レーザ
・ヘテロダイン・メータ（これによってゆがみの振幅を
測定する）の測定点１３における共振スペクトルを図３
（Ａ）に示す。各共振周波数は充分に離れており、モー
ドの結合は不可能である。図３（Ｂ）には、ｚ方向のゆ
がみだけが可能な振動の節において測定した共振スペク
トルを示す。より高次の振動モードＴ２およびφ１はこ
のゆがみにはよらない。従って、力の測定点１３は探針
の位置から離れた位置とする。

【００２８】センサの設計は、この実施例では次のよう
に行う。なお、計算を簡単にするため、測定点１３に関
連して追加される質量は考慮しない。アームは長方形と
し、その長さをＬ、幅をｂ、厚さをｄとし、探針の高さ
をｈ、弾性係数をＥ、剛性率をＧ、質量密度をｐ、全慣
性モーメントをＪφ、ねじれ力をＫφとすると、共振周
波数は近似的に次のようになる。

【数１】ＫφおよびＪφは次式によって得られる。

【数２】本実施例では、探針の慣性モーメントＪ_tip は、アーム
の対応する値を越え、容易に効果を発揮する。計算のた
め、探針の位置におけるセンサの（横方向）バネ定数を
次のように仮定する。

【数３】第２横振動モードに関しては、静的なバネ定数はない。
しかし、動的な力のファクタを、クオリティーＱにｆ_t2
における周期的力を掛けたものに対する振動振幅の比と
して定義することができる。従って、均一なアームの場
合、次のようになる。

【数４】このようなセンサの場合、探針は振動の節に配置する。
探針の高さを考慮して、ｙ方向における有効バネ定数ｋ
_t2は次のようになる。

【数５】以上の計算では、探針の剛性に限界があること、および
その質量は無視した。

【００２９】次式は、アームの回転運動のバネ定数に適
用できる。

【数６】従って、本実施例では次のような数値となる。ただし、
シリコン・センサの大きさは６０×３×３μｍ、探針の
高さは２５μｍとした。

【００３０】Ｍｔ１：１．１６ＭＨｚおよび３２Ｎ／ｍＭｔ２：７．２４ＭＨｚおよび３２５Ｎ／ｍＭφ：１９ＭＨｚおよび１６Ｎ／ｍねじれ共振周波数の推定値は、探針の大きさおよび形状
に大きく依存する。

【００３１】特に、２つの横共振周波数の比は、アーム
を変更することによって容易に調整できる。例えば、ア
ームにテーパを持たせることにより、上記周波数比を小
さくすることができる。

【００３２】このセンサによる力の場測定の感度は次の
ようになる。

【数７】Ａ₀ ：振動振幅ｋ：バネ定数ｋ_b ：ボルツマン定数Ｔ：温度Ｂ：帯域幅Ｑ：クオリティークオリティーは、各共振モードのバネ定数を大きくする
ことによって改善することができる。図３に、第１横振
動モード、第２横振動モード、ならびにねじれ振動モー
ドに対する値５００，１０００，ならびに１５００を示
す。両横振動モードの感度は従って、約１０^-5Ｎ／ｍと
なり、ねじれ振動モードの感度は１０^-6Ｎ／ｍとなる。

【００３３】レーザ・センサは、既知のヘテロダイン干
渉計の原理にもとづいて動作する。すなわち、コヒーレ
ンスの性質を利用して、レーザ・ビームを２つの部分ビ
ームに分割し、一方のビームを、センサ１００表面の読
み出し点１３で反射させる。その後、２つのビームを、
本実施例では半透明のミラーで一体化する。ビームの分
割もこのミラーによって行う。一体化したビームは次に
検出器に入射させ、２つの部分ビームの干渉を測定す
る。この実施例では、リセット論理回路（ディスクリー
ト回路、あるいはコンピュータによる制御ループにより
構成できる）を調整し、共振周波数での振動（この段階
では、画像化すべき表面の影響を受けている）を継続す
るようセンサを励起する。ここでの調整量が測定値を表
すことになり、その値は、画像再生チャート上に黒色あ
るいは灰色の値として登録する。

【００３４】他の実施例では、周波数の調整は行わず、
振動振幅を直接、センサが表面から受ける力の測度とし
て用いる。この場合、測定のダイナミック・レンジが制
限されることは許容することになる。それは、影響を受
けていない周波数での共振を、ノイズに埋もれることな
く測定できるような力しか測定できないからである。測
定を行った後、画像化すべき表面は新しい位置に移動さ
せ（本実施例では圧電位置設定要素により行う）、表面
の一本の直線が得られるまで、測定をくり返す。次に、
画像化すべき対象を、圧電位置設定要素によって新しい
線の位置に配置し、そして表面全体を走査する。

【００３５】１つの振動モードで表面を走査した後、セ
ンサを次の振動モードで励起し、必要とする力の場の成
分をすべて測定し終るまで全測定手順をくり返す。測定
した成分は（その中の２つを図５（Ａ），（Ｂ）に示
す）データ処理システムを用い、既知の方法によって処
理して、画像を評価することができる。特に、力の場の
方向における違いを画像として表すことができ、それを
分析に用いることができる。

【００３６】さらに他の実施例では、既述のように、圧
電位置設定要素によって位置を変える前に、各測定点ご
とに異なる振動モードで順次、振動させる。

【００３７】試験測定の実験結果を図５に示す。実験で
は探針を正確に、第２横振動の振動の節に固定しなかっ
たため、３つの方向の振動は完全には分離されていな
い。さらに、センサのねじれに対する剛性は横方向の剛
性に比べて非常に強い。しかしながら、実験によって実
現可能性が示された。

【００３８】図５（Ａ）に、シリコン表面から７０ｎｍ
の高さにおけるｚ方向の測定結果を示す。ねじれ振動の
結果を図５（Ｂ）に示す。力の垂直成分が水平成分に優
る点に探針が達したとき、振幅は明かに変化している。

【００３９】以下、再度実施例を整理して記載する。（１）力の測定によって表面構造を画像化するセンサで
あって、測定用探針から成る測定用プローブ（１２）
と、前記測定用プローブを取り付けるアーム（１１）と
を備え、前記測定用プローブは、画像化すべき表面の近
傍で振動し、前記表面が前記振動に与える影響を測定す
るセンサにおいて、前記センサは少なくとも２つの異な
る振動モードを有し、前記プローブ（１２）の前記探針
は、前記少なくとも２つの異なる振動モードで、異なる
方向に振動することを特徴とするセンサである。（２）前記プローブ（１２）の前記探針は、前記少なく
とも２つの異なる振動モードで、互いに直交する方向に
振動することを特徴とする（１）記載のセンサである。（３）前記センサは２つの横振動モードと１つのねじれ
振動モードを有し、前記プローブ（１２）の前記探針
は、前記３つの振動モードのそれぞれで、それぞれ１つ
の方向に振動し、前記３つの方向は互いに直交してお
り、１つの振動方向が前記プローブの前記探針の方向を
表していることを特徴とする（１）または（２）記載の
センサである。（４）前記アームおよび前記プローブはシリコンにより
作製されていることを特徴とする（１）〜（３）のいず
れかに記載のセンサである。（５）前記アームおよび前記プローブは窒化シリコンに
より作製されていることを特徴とする（１）〜（３）の
いずれかに記載のセンサである。（６）前記プローブは磁性を有していることを特徴とす
る（１）〜（３）のいずれかに記載のセンサである。（７）（１）〜（６）のいずれかに記載のセンサを備え
た力顕微鏡において、圧電振動素子と、レーザ測定装置
と、画像化すべき表面を前記センサに対して調整する装
置とを備えたことを特徴とする力顕微鏡である。（８）（１）〜（７）のいずれかに記載のセンサを、異
なるモードで順次振動させ、前記センサ・プローブと前
記表面との相互作用による、共振周波数の変化を測定す
ることを特徴とする、表面を画像化する方法である。（９）１つの方向に振動する圧電素子によって前記振動
を誘起することを特徴とする（８）記載の方法である。（１０）前記共振周波数の前記変化の測定は、ヘテロダ
イン・レーザ測定法を用いて行うことを特徴とする
（８）または（９）記載の方法である。（１１）顕微鏡的に検査すべき対象は、各測定手順の
後、前記顕微鏡に対する新しい位置に調整されることを
特徴とする（８）〜（１０）のいずれかに記載の方法で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】ダブル・アームを備えたセンサの画像を示す顕
微鏡写真である。

【図２】ｚ，ｘ，ｙ方向の３つの振動モードを示す図で
ある。

【図３】本発明によるセンサの、無影響状態における振
動強度のスペクトル変化を励起周波数の関数として示す
図である。

【図４】センサを模式的に示す図である。

【図５】例として、２つの方向における測定結果を示す
顕微鏡写真である。

【符号の説明】

１０ボディー１１アーム１２探針１３測定点１００センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ヨハン・グレシュナードイツプリエゾーセン１ 72124 ティエルガルテンベーク 14 (72)発明者マルチン・ノーネンマッヘルドイツショーエンアイヒ 71101 ボエブリンゲルシュトラーセ 24

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】力の測定によって表面構造を画像化するセ
ンサであって、測定用探針から成る測定用プローブ（１
２）と、前記測定用プローブを取り付けるアーム（１
１）とを備え、前記測定用プローブは、画像化すべき表
面の近傍で振動し、前記表面が前記振動に与える影響を
測定するセンサにおいて、前記センサは少なくとも２つの異なる振動モードを有
し、前記プローブ（１２）の前記探針は、前記少なくとも２
つの異なる振動モードで、異なる方向に振動することを
特徴とするセンサ。
【請求項２】前記プローブ（１２）の前記探針は、前記
少なくとも２つの異なる振動モードで、互いに直交する
方向に振動することを特徴とする請求項１記載のセン
サ。
【請求項３】前記センサは２つの横振動モードと１つの
ねじれ振動モードを有し、前記プローブ（１２）の前記
探針は、前記３つの振動モードのそれぞれで、それぞれ
１つの方向に振動し、前記３つの方向は互いに直交して
おり、１つの振動方向が前記プローブの前記探針の方向
を表していることを特徴とする請求項１または２記載の
センサ。
【請求項４】前記アームおよび前記プローブはシリコン
により作製されていることを特徴とする請求項１〜３の
いずれかに記載のセンサ。
【請求項５】前記アームおよび前記プローブは窒化シリ
コンにより作製されていることを特徴とする請求項１〜
３のいずれかに記載のセンサ。
【請求項６】前記プローブは磁性を有していることを特
徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のセンサ。
【請求項７】請求項１〜６のいずれかに記載のセンサを
備えた力顕微鏡において、圧電振動素子と、レーザ測定装置と、画像化すべき表面を前記センサに対して調整する装置と
を備えたことを特徴とする力顕微鏡。
【請求項８】請求項１〜７のいずれかに記載のセンサ
を、異なるモードで順次振動させ、前記センサ・プロー
ブと前記表面との相互作用による、共振周波数の変化を
測定することを特徴とする、表面を画像化する方法。
【請求項９】１つの方向に振動する圧電素子によって前
記振動を誘起することを特徴とする請求項８記載の方
法。
【請求項１０】前記共振周波数の前記変化の測定は、ヘ
テロダイン・レーザ測定法を用いて行うことを特徴とす
る請求項８または９記載の方法。
【請求項１１】顕微鏡的に検査すべき対象は、各測定手
順の後、前記顕微鏡に対する新しい位置に調整されるこ
とを特徴とする請求項８〜１０のいずれかに記載の方
法。