JPH06288757A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】微動素子への負荷が少なく、高速走査が行なえ
るＡＦＭを提供する。 【構成】上部保持体１５には、レーザー光源２を支持す
るＬＤ支持体１２と、カンチレバー１を支持し走査する
微動素子５と、光検出素子３を支持するＰＤ支持体１１
が取り付けられている。光源２はレーザー光を水平に射
出するようにＬＤ支持部１２に取り付けられている。光
検出素子３はノブ１３の回転操作によりＺ方向に移動す
るように設けられている。カンチレバー１の支持部９は
磁石８により微動素子５の下端のリング部材７に取り付
けられている。微動素子５の下端部には、窓１６Ａを介
して入射したレーザー光をカンチレバー１に向けて反射
するプリズム３１と、その反射光を窓１６Ｂを介して光
検出素子３に向けて反射するプリズム３２が設けられて
いる。また本体の下方部には、粗動用のＸＹステージ１
４が設けられており、この上に試料６が載置される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、試料の表面を原子レベ
ルの分解能で観察する原子間力顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）は、自由端に
探針を備える柔軟なカンチレバーを有し、探針と試料の
間に作用する原子間力により生じるカンチレバーの自由
端の変位を検出し、これを一定に保ちながら探針を試料
表面に沿って走査することにより、試料の表面形状像を
原子レベルの分解能で観察する装置である。

【０００３】このようなＡＦＭにおいて、カンチレバー
の自由端の変位を検出する方法としては、光干渉法、光
合焦検出法、光テコ法などがある。なかでも光テコ法
は、構成が簡単な上に検出感度も優れているため、一般
によく用いられている。

【０００４】また最近では、シリコンウェハー等の様な
大型の試料も測定できるＡＦＭが望まれている。この要
望に応えるＡＦＭの一例が特開平３−２９６６１２に開
示されている。このＡＦＭは、図５に示すように、カン
チレバー１、レーザー光源２、光検出素子３を含む変位
検出系４が圧電体素子を用いた微動素子５の自由端に支
持されており、微動素子５によりカンチレバー１を試料
６に沿って二次元走査し、その間に光検出素子３から出
力されるカンチレバー１の変位信号を画像化し、試料表
面の凹凸像を高解像度で得ることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このＡＦＭでは、カン
チレバー１と光検出素子３を含む、微動素子５の自由端
に支持されている部分の構成が大きいため、微動素子５
の負荷が大きくなっており、このため走査速度が遅くな
っている。また、微動素子５の負荷を少なくするために
この部分の小型化を図りたいが、各々の素子間にレーザ
ー光の適切な光路を形成しなければならないため単純に
小型化することができない。さらに、従来のＡＦＭ同
様、カンチレバー１を交換する際に少なくともレーザー
光源２または光検出素子３の位置を調整しなければなら
ないため、実質的に図５の構成では調整機構を追加しな
ければならない。

【０００６】本発明は、微動素子の負荷が少なく、より
高速での走査が行なえるＡＦＭを提供することを目的と
する。さらに、光検出系の光学要素の調整機構の組み込
みを容易に行なえるＡＦＭを提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の走査型プローブ
顕微鏡は、自由端に探針を有し、その反対側に反射面を
備えているカンチレバーと、カンチレバーを支持し、こ
れを走査する微動素子と、レーザー光を射出する光源
と、光源からのレーザー光をカンチレバー上の反射面に
照射する照射手段と、カンチレバーの反射面からの反射
光を偏向する偏向手段と、偏向手段で偏向されたカンチ
レバーの反射面からの反射光を受光し、カンチレバーの
自由端の変位に対応した信号を出力する光検出素子とを
有しており、照射手段と偏向手段は微動素子上に設けら
れており、光源と光検出素子は微動素子とは独立に設け
られている。

【０００８】

【作用】本発明では、光源から射出されたレーザー光は
照射手段で偏向されカンチレバーの自由端に照射され、
その反射光は偏向手段で偏向され光検出素子に入射す
る。走査の際、カンチレバーと照射手段と偏向手段は微
動素子により移動されるが、光源と光検出素子は移動さ
れない。

【０００９】

【実施例】以下、図面を参照しながら本発明の実施例に
ついて説明する。

【００１０】まず第一実施例の原子間力顕微鏡について
図１と図２を参照しながら説明する。図１に示すよう
に、上部保持体１５は図示していない本体に保持されて
おり、この上部保持体１５には、レーザー光源（ＬＤ）
２を支持するＬＤ支持体１２と、カンチレバー１を支持
し走査するための微動素子（円筒アクチュエーター）５
と、ポジションセンサー（ＰＳＤ）１７を含む光検出素
子３を支持するＰＤ支持体１１が取り付けられている。
レーザー光源２は、レーザー光を水平に射出するように
ＬＤ支持部１２に取り付けられている。光検出素子３
は、ノブ１３の回転操作により微動ねじ１０を介してＰ
Ｄ支持体１１の内部をＺ方向に移動するように設けられ
ている。微動素子５には、その下端に鉄等の材料で作ら
れたリング部材７が取り付けられている。カンチレバー
１は自由端に探針を備え、その固定端は鉄等の材料で作
られた支持部材９に固定されている。この支持部材９は
磁石８を介して、その磁力によりリング部材７に取り付
けられている。これによりカンチレバー１はリング部材
７の下方に支持される。微動素子５の下端部には、レー
ザー光源２と光検出素子３に対向している部分にそれぞ
れ窓１６Ａと１６Ｂが設けられている。これらの窓１６
Ａと１６Ｂの内側には、レーザー光源２からのレーザー
光をカンチレバー１の自由端部に向けて反射するミラー
面３１Ａを持つプリズム３１と、カンチレバー１の自由
端部からの反射光を光検出素子３に向けて反射するミラ
ー面３２Ａを持つプリズム３２がそれぞれ設けられてい
る。また、図示していない本体の下方部には、粗動用の
ＸＹステージ１４が設けられており、この上に試料６が
載置される。このＸＹステージ１４によって試料６が大
きく移動でき、試料６が大型であっても所望の観察した
い箇所をカンチレバー１の下方に配置することができ
る。

【００１１】レーザー光源２から射出されたレーザー光
ＬＢ１は、窓１６Ａを通ってプリズム３１に入射し、ミ
ラー面３１Ａで反射されカンチレバー１の自由端部に照
射される。この自由端部で反射された反射光ＬＢ２は、
プリズム３２に入射しミラー面３２Ａで反射され、窓１
６Ｂを通って光検出素子３のポジションセンサー１７に
入射する。このとき、光検出素子３の位置は、カンチレ
バー１が所定の状態たとえば水平状態にあるとき、反射
光ＬＢ２がポジションセンサー１７の適切な位置に入射
するように予め調整しておく。カンチレバー１の自由端
が破線で示すように変位すると、自由端からの反射光Ｌ
Ｂ３（破線で示す）のポジションセンサー１７への入射
位置が上方に移動し、これに応じてポジションセンサー
１７はカンチレバー１の自由端の変位を示す信号を出力
する。

【００１２】レーザー光源２は、図２に示すように、Ｙ
軸方向に長軸を有する楕円ビームを射出している。これ
により、カンチレバー１が微動素子５によりＹ方向に走
査された場合でも、カンチレバー１の自由端部にレーザ
ー光ＬＢ１が確実に照射される。このようにレーザー光
源２は、Ｙ軸方向に長軸を持つ楕円ビームを水平（Ｘ軸
に平行）に射出しているので、カンチレバー１が微動素
子５によりＸＹ方向に走査されたとき、カンチレバー１
の自由端にはそのＸＹ位置に関係無く常に同じ状態でレ
ーザー光ＬＢ１が照射され、その変位はポジションセン
サー１７上における反射光の入射位置の上下方向の違い
として検出される。なお、図２では、図１に実線で示し
た状態のカンチレバーが１ａで、破線で示した状態のカ
ンチレバーが１ｂで示してあり、この状態の違いによ
り、それぞれの反射光ＬＢ２とＬＢ３のミラー面３２Ａ
への入射位置が変化することが示されている。

【００１３】このように本実施例のＡＦＭでは、レーザ
ー光源２と光検出素子３が微動素子５ではない他の支持
体１２と１１にそれぞれ支持されてため、微動素子５に
かかる負荷は比較的少なくなっている。これにより、カ
ンチレバー１は比較的高速に走査されるようになる。

【００１４】次に図３を参照しながら第二実施例のＡＦ
Ｍについて説明する。図中、第一実施例の部材と同等の
部材は同一の符号で示し、その詳細な説明は省略する。
本実施例では、微動素子５は平行バネ５Ａとバイモルフ
５Ｂで構成されており、平行バネ５Ａの上端は上部保持
体１５に固定されていて、その下端はバイモルフ５Ｂに
よりＸ方向に移動できるようになっている。平行バネ５
Ａの下端部には、第一実施例と同様に、窓１６Ａと１６
Ｂが設けてあり、微動素子５の下端部にはプリズム３１
と３２およびリング部材７が取り付けられ、カンチレバ
ー１は磁石８によりリング部材７に付けられている。ま
た、光検出素子３は、バネ１９の力により下方に押され
ていると共に微動ねじ１０によって摺動面１８に押しつ
けられている。微動ねじ１０は光検出素子３の斜面に接
していて、ノブ１３を回転させることによって光検出素
子３がＺ方向に移動するようになっている。光検出素子
３を支持しているＰＤ支持体１１とレーザー光源２を支
持しているＬＤ支持体１２は、微動素子５と共に上部保
持体１５に取り付けられている。この上部保持体１５
は、図示していない本体に対してＹ方向に移動できるよ
うに設けられており、駆動素子２０によりＹ方向に走査
されるようになっている。これにより、カンチレバー１
は微動素子５によりＸ方向に、駆動素子２０によりＹ方
向に走査される。本実施例では、微動素子５が平行バネ
５Ａとバイモルフ５Ｂとで構成されているため小型軽量
になる上、Ｘ方向の移動が広範囲に渡って線性に保たれ
る。

【００１５】なお、本実施例ではＹ方向走査の際に移動
する部分は小型軽量ではないが、Ｙ方向の走査はもとも
と低速で行なわれるので、走査の際に移動する部分を小
型軽量化して走査速度の向上を図るといった本発明の主
旨に何ら反するものではない。

【００１６】最後に図４を参照しながら第三実施例のＡ
ＦＭについて説明する。本実施例では、上部保持体１５
は、第二実施例同様、図示していない本体にＹ方向に移
動できるように設けられており、駆動素子２０によりＹ
方向に走査されるようになっている。この上部保持体１
５は、レーザー光源２を支持しているＬＤ支持体１２
と、上述した実施例のＰＤ支持体に相当する支持体２８
と、下方に延びた平行バネ５Ａとを支持している。第二
実施例と同様に、平行バネ５Ａの下端部には窓１６Ａが
設けられ、プリズム３１とリング部材７が取り付けられ
ており、このリング部材７に磁石８を介してカンチレバ
ー１が磁力により固定されている。支持体２８の下端部
とリング部材７は積層型圧電素子５Ｃで連結されてい
て、平行バネ５Ａと積層型圧電素子５Ｃとで微動素子を
構成しており、積層型圧電素子５Ｃの伸縮動作によりカ
ンチレバー１がＸ方向に走査される。また、平行バネ５
Ａの内側にはレンズ２１が微動素子とは独立に設けられ
ており、その上方に分割ミラー２４、分割ミラー２４の
右方にレンズ２２が設けられている。さらに、レンズ２
１の後焦平面２５をレンズ２２で投影した共役な面２７
に光検出素子３が配置されている。

【００１７】レーザー光源２から射出されたレーザー光
はプリズム３１で反射されてカンチレバー１の自由端に
照射され、その反射光はレンズ２１に入射して偏向さ
れ、分割ミラー２４で反射されレンズ２２を通過し光検
出素子３に入射する。レンズ２１から光検出素子３まで
の光学系２３において、カンチレバー１のＸ方向の二つ
の位置ｐ１、ｐ２からの反射光ＬＢp1、ＬＢp2は、カン
チレバー１が変位していないとき、レンズ２１に入射す
るまでは互いに平行であるからレンズ２１を通過後、レ
ンズ２１の後焦平面２５の一点（Ｑ0 ）に収束する。も
し、カンチレバー１が原子間力等を受けて変位していて
も、その変位量が等しければ、カンチレバー１が走査中
のどの位置にあっても変位量に対応した後焦平面２５上
の所定の点を通過する。この後焦平面２５に光検出素子
３を配置してもよいが、本実施例では後焦平面２５をレ
ンズ２２で投影した共役な面２７に光検出素子３を配置
し、分割ミラー２４の上方に結像光学系を設けることに
よって、分割ミラー２４を介してレンズ２１を用いて試
料６の光学像を得られる構成としている。

【００１８】本実施例では、微動素子により移動される
部分が上述の実施例に比べて更に小型軽量になっていて
微動素子への負荷が少なくなっているとともに、光検出
素子３も上部保持体１５とは別体として設けられている
のでＹ方向の駆動体２０への負荷も軽減されている。こ
れにより、より高速での走査が行なえるようになる。

【００１９】

【発明の効果】本発明によれば、微動素子の負荷が少な
く、より高速での走査が行なえるＡＦＭが提供されるよ
うになる。さらに、光検出系が走査系とは独立に設けら
れるので、光検出系の光学要素の調整機構の組み込みが
容易に行なえるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例のＡＦＭの構成を示す。

【図２】図１の各光学要素を上から見たときの位置関係
を示す。

【図３】本発明の第二実施例のＡＦＭの構成を示す。

【図４】本発明の第三実施例のＡＦＭの構成を示す。

【図５】光検出系に光テコ法を用いたＡＦＭの従来例の
構成を示す。

【符号の説明】

１…カンチレバー、２…レーザー光源、３…光検出素
子、５…微動素子、３１、３２…プリズム。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 自由端に探針を有し、その反対側に反射
   面を備えているカンチレバーと、 カンチレバーを支持し、これを走査する微動素子と、 レーザー光を射出する光源と、 光源からのレーザー光をカンチレバー上の反射面に照射
   する照射手段と、 カンチレバーの反射面からの反射光を偏向する偏向手段
   と、 偏向手段で偏向されたカンチレバーの反射面からの反射
   光を受光し、カンチレバーの自由端の変位に対応した信
   号を出力する光検出素子とを有しており、 照射手段と偏向手段は微動素子上に設けられており、 光源と光検出素子は微動素子とは独立に設けられている
   走査型プローブ顕微鏡。