JPH0682249A - 原子間力顕微鏡 - Google Patents
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Abstract
を備えた微小なばね要素と、微小ばね要素のばね表面に
光を照射して、その光反射を検出してばね要素の変位を
検出する変位検出手段を、試料表面の表面状態を検出す
るため3次元走査する微動素子に取り付ける構成とす
る。 【効果】 微動素子は、試料を支持しない構成のため、
試料が大きいか、或いは重いものでも試料表面の相対的
な検出チップの3次元走査が可能になる。
Description
微小なばね要素で変位に変換し、その変位をレーザー光
をばね要素に照射しその反射光の位置ずれとして光検出
素子で検出して制御信号とする方式の原子間力顕微鏡に
関する。
ce Microscope)はSTMの発明者である
G.Binnigらによって発明(Physical
Review Letters vol.56 p93
0 1986)されて以来、新規な絶縁性物質の表面形
状観察手段として期待され、研究が進められている。そ
の原理は先端を充分に鋭くした検出チップと試料間に働
く原子間力を、前記検出チップが取り付けられているば
ね要素の変位として測定し、前記ばね要素の変位量を一
定に保ちながら前記試料表面を走査し、前記ばね要素の
変位量を一定に保つための制御信号を形状情報として、
前記試料表面の形状を測定するものである。
ー光をばね要素に照射しその反射光の位置ずれを光検出
素子で検出して変位信号とする、光てこ方式と呼ばれる
例(Journal of Applied Phys
ics 65(1)、1 p164 January
1989)が報告されている。
図4(a)は、原子間距離に対する原子間力の関係を示
す概念図である。二つの原子を数ナノメーターないし数
オングストロームの距離に近付けていくと、まず原子間
距離のマイナス7乗に比例したいわゆるファンデルワー
ルス力が互いに引き付け合う力として発生する。更に近
付けるといわゆる交換斥力が急激に立ち上がる。
様子を示す概念図である。従来の原子間力顕微鏡は図中
の変位量xが一定となるように試料1をZ方向に調整し
つつ、試料面内方向の走査を行い、試料表面の形状デー
タを得る。いわゆる触針式粗さ計との違いとしては、測
定中のセンサの圧力が粗さ計の場合数ミリグラムである
のに対し、原子間力顕微鏡の場合マイクログラム以下と
小さいこと、原子間力顕微鏡は粗さ計よりも観察範囲は
狭いが分解能が非常に高いことなどが挙げられる。
鏡の構成を示す概略図である。ばね要素3には試料1と
の相互作用を微小な範囲に限定するための検出チップ2
が取り付けられ、微小な力検出器を構成している。試料
1は、微動素子4に支持され、更に微動機構4は粗動素
子5に支持されている。検出チップ2が試料1の表面の
原子間力測定領域に位置するように、3次元的に駆動さ
れる。ばね要素3は、フレーム30に取り付けられてい
る。また、フレーム30は粗動機構5を固定している。
そこで、試料1は、微動素子4により、検出チップ2の
先端部に対して3次元的に駆動される。つまり、微動素
子4により、試料1は検出チップ2の先端部と試料1の
表面の距離を調整しながら、試料1平面上を高分解能で
走査される。ナノメーター以下の微小な移動量が要求さ
れるため、微動素子として圧電素子が使われる例が多
い。微動素子4は試料1とばね要素3の粗い位置決めを
行うための粗動機構5に固定される。
量を検出するための変位検出系が設けられている。まず
半導体レーザー6から出射された光はレンズa8により
集光され、光軸調整手段22によりばね要素3の裏面先
端部に当たるよう調整される。ばね要素3は反射率を上
げるためのコーティングが施されている。反射された光
はレンズb9によって集光され、分割型の光検出素子1
1上に集光される。光検出素子として例えば2分割型の
フォトディテクター11aを使用した場合においては、
あらかじめ分割された素子に均等に光が入射する様に調
整しておき、2分割素子の差分信号を取る。ばね要素3
が試料1に押されて傾くとき、フォトディテクター11
aの受光面上の光スポットもばね要素3の傾きに比例し
て移動し、分割素子の出力は一方は増加しもう一つは減
小する。結果としてその差分出力はばね要素3の傾き、
即ち変位に比例したものとなる。この変位信号はサーボ
系に取り込まれ微動素子4及び粗動機構5への制御信号
に変換され、試料1とばね要素3の距離が一定となるよ
う制御される。
てこ方式の原子間力顕微鏡では試料を微動素子4により
駆動する方式を取っているため、大きな試料を観察しよ
うとすると微動素子の共振周波数の低下を招き、観察が
困難であった。また微動素子自体小さいもの、例えば円
筒型の圧電素子を使うときは直径が最大でも30ミリ程
度で物理的にも試料取り付けが困難であり、例えば半導
体のウェハーや光ディスク基板を観察するためには試料
を裁断する必要があった。そのため原子間力顕微鏡の持
つ非破壊観察という利点を生かすことが出来ないという
欠点があった。
あるため、微動素子の負荷質量が測定の度に変動するこ
とになり、制御特性や測定スピードが一定しないという
問題点があった。
め本発明では、ばね要素及び変位検出手段を微動素子に
取り付ける構成とした。微動素子先端部に半導体レーザ
ー、レンズ、ばね要素、ミラー、光検出素子よりなる光
てこ方式の変位検出系を構成し、外部に変位検出系の光
軸調整手段を設けることとした。
から切り放すことが可能となる。試料を粗動機構上に配
置する場合、粗動機構は一般にパルスステージなどが用
いられ、微動素子として通常用いられる圧電素子よりも
搭載できる重量が数桁大きいため、試料のサイズや重量
に対する制約は大きく軽減される。粗動・微動機構を一
体の構成とした場合においてもその効果は同様である。
め、例えば搬送機構と組み合わせて試料の自動交換を行
う等、設計自由度が向上する。また微動素子の負荷は常
に一定となり、制御系の安定化や装置全体の特性に対す
る保証が得られることになるのである。
する。図1に本発明に係る原子間力顕微鏡の機構部の1
実施例を示す。電装系の構成は従来の原子間力顕微鏡と
同様である。半導体レーザー6、ばね要素3、光検出素
子11などがフレームFに設けられて構成された変位検
出系Aが微動素子先端に取り付けられ、試料1は粗動機
構5に固定される。半導体レーザー6はレーザー素子が
直径6ミリ以下のパッケージにマウントされており1グ
ラム以下と軽量であり、微動素子4の動作上問題となる
重さではない。更にパッケージの無いレーザー素子その
ものの状態でマウントすることも可能であり、より軽量
な変位検出系Aを得ることができる。
ダ12に接着され、磁石7により吸引されレンズa8か
らの出射光軸に対し傾いて固定される。半導体レーザー
6からの光はレンズa8によりばね要素3先端部近傍に
集光され、光軸調整手段22によりばね要素3先端部に
光軸が一致するようばねホルダ12の位置が調節され
る。
10を介してディテクターホルダ13に固定された2分
割のフォトディテクター11aに入射される。ディテク
ターホルダ13はコイルばね24を介して調整ネジ23
に押圧されており、入射光に対するフォトディテクター
11aの位置を調整ネジ23により調節することができ
る。このように構成された変位検出系は機能的には従来
の光てこ方式の原子間力顕微鏡と全く同じである。ただ
し微動素子に対する負荷は従来の方式よりも若干大きく
なり観察スピードの多少の低下が発生するが、実用上問
題になるレベルではない。
けられている。粗動機構5はxyz3軸方向のパルスス
テージで構成され、試料1を金属顕微鏡15と原子間力
顕微鏡との間で搬送する。このような構成により金属顕
微鏡で予め大まかな観察をした後より詳細に観察したい
部分を原子間力顕微鏡で見るということが可能となる。
部の別の実施例を示す。ばね要素3、光検出素子11な
どにより構成された変位検出系が微動素子先端に設けら
れ、更に微動素子4は粗動機構5に取り付けられてい
る。試料1は搬送機構16により試料ストッカー17か
ら自動供給され、連続測定が行われる。
と変位検出系を微動素子側に配置することにより、試料
の大きさに対する制限を緩和し、半導体のウェハーや光
ディスク基板等をそのまま観察できるようになり、原子
間力顕微鏡の持つ非破壊観察という利点を生かすことが
でき、試料準備が容易となる。
ことが可能となり、機能の複合化された使い勝手の良い
原子間力顕微鏡が得られる。更には微動素子に加えられ
る負荷が常に一定となるため、制御系に対する悪影響を
軽減することができるのである。
ロック図である。
すブロック図である。
示す概念図である。
Claims (5)
- 【請求項1】 試料表面から先端を尖らした検出チップ
が受ける原子間力を変位に変換するばね要素と、レーザ
ー光を発生し前記ばね要素に照射する半導体レーザーと
前記ばね要素で反射したレーザー光の位置ずれを検出す
る光検出器とからなり前記ばね要素の変位を検出するた
めの変位検出手段と、前記試料と前記ばね要素を3次元
的に相対運動させ、前記検出チップの先端を前記試料表
面の原子間力の働く領域に近づける粗動機構と、前記変
位検出手段を取り付けて前記ばね要素に取り付けられた
検出チップ先端を前記試料表面の原子間力の働く領域内
で三次元的に運動させるための微動機構と、前記試料と
前記検出チップ先端の間を戦記微動機構を介して一定の
距離に保つ制御手段とよりなる原子間顕微鏡において、 前記ばね要素は、前記変位検出手段に対して、磁石によ
り水平的に移動可能に支持され、且つばね要素位置調整
装置により水平方向に移動調整可能なことを特徴とする
原子間顕微鏡。 - 【請求項2】 試料表面から先端を尖らした検出チップ
が受ける原子間力を変位に変換するばね要素と、レーザ
ー光を発生し前記ばね要素に照射する半導体レーザーと
前記ばね要素で反射したレーザー光の位置ずれを検出す
る光検出器とからなり前記ばね要素の変位を検出するた
めの変位検出手段と、前記試料と前記ばね要素を3次元
的に相対運動させ、前記検出チップの先端を前記試料表
面の原子間力の働く領域に近づける粗動機構と、前記変
位検出手段を取り付けて前記ばね要素に取り付けられた
検出チップ先端を前記試料表面の原子間力の働く領域内
で三次元的に運動させるための微動機構と、前記試料と
前記検出チップ先端の間を戦記微動機構を介して一定の
距離に保つ制御手段とよりなる原子間顕微鏡において、 前記光検出器は、前記変位検出手段に直線的に移動可能
に取り付けられており、かつ光検出器位置調節装置によ
り直線的に移動調整可能なことを特徴とする原子間顕微
鏡。 - 【請求項3】 請求項1又は請求項2記載の原子間顕微
鏡において、半導体レーザーはパッケージを有さない半
導体チップ状態であることを特徴とする原子間顕微鏡。 - 【請求項4】 請求項1又は請求項2記載の原子間顕微
鏡において、前記粗動機構は試料を支持し、前記試料を
三次元的に粗動させることを特徴とする原子間顕微鏡。 - 【請求項5】 請求項1又は請求項2記載の原子間顕微
鏡において、前記粗動機構は前記微動機構を支持し、前
記微動機構を三次元的に粗動させることを特徴とする原
子間顕微鏡。
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JPH05232081A (ja) * | 1992-02-20 | 1993-09-07 | Seiko Instr Inc | 原子間力顕微鏡 |
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