JPH0682250A - 原子間力顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】外乱振動を確実に除去することが可能な原子間
力顕微鏡を提供することにある。 【構成】試料５とカンチレバ−６との間の原子間力を利
用してカンチレバ−６を撓ませる原子間力顕微鏡１にお
いて、半導体レ−ザ９と、カンチレバ−６を保持すると
ともにレ−ザ光１０ｂを透過及び反射させるカンチレバ
−ホルダ７と、レ−ザ光１０ｂをカンチレバ−ホルダ７
に導く光学系１１と、カンチレバ−ホルダ７からの反射
光と試料５からの反射光との干渉光を検出するラインセ
ンサ１３と、カンチレバ−ホルダ７からの反射光と試料
５からの反射光との干渉縞を基にカンチレバ−ホルダ７
と試料５との間隔を演算する演算制御回路とを備えた。

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、試料とカンチ
レバ−との間の原子間力を利用して試料面の像を得る原
子間力顕鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、特開昭６２−１３０３２０号公
報には原子間力顕微鏡（以下、ＡＦＭと称する）が開示
されている。このＡＦＭは、探針と試料との間で作用す
る原子間力を利用し、高分解能で試料面の像を得る。

【０００３】また、特開平３−１２３８１０号公報に
は、振動などの外部ノイズの影響を除去するＡＦＭが開
示されている。このＡＦＭにおいては、固有振動数の等
しい二つのカンチレバ−が備えられており、両方のカン
チレバ−の変位差に基づいて、探針に作用する外乱が検
出される。

【０００４】さらに、本出願人による特願平２−３１４
７６号明細書には、第１基板（フォトマスク）と第２基
板（鋼板）との間隔を、反射光の干渉強度を利用して測
定する技術が記載されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前述の特開
平３−１２３８１０号公報に記載されたＡＦＭにおいて
は、二つのカンチレバ−が備えられており、両カンチレ
バ−の変位差に基づいて外乱振動が検出される。しか
し、両カンチレバ−の位相が異なった場合には両カンチ
レバ−の振動が相互に作用し合う。したがって、結果的
には、ノイズが増し、外乱振動の検出は困難であると考
えられる。

【０００６】さらに、このＡＦＭにおいては、両カンチ
レバ−の変位を等しくするために、原子間力が一定に保
たれるよう探針を位置制御する必要がある。したがっ
て、このＡＦＭにおいては、一定の値の原子間力しか検
出できない。本発明の目的とするところは、外乱振動を
確実に除去することが可能な原子間力顕微鏡を提供する
ことにある。

【０００７】

【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、試料とカンチレバ−との間の原
子間力を利用して上記カンチレバ−を撓ませる原子間力
顕微鏡において、測定光を発する光源と、上記カンチレ
バ−を保持するとともに上記測定光を透過及び反射させ
るカンチレバ−ホルダと、上記測定光を上記カンチレバ
−ホルダに導く光学系と、上記カンチレバ−ホルダから
の反射光と上記試料からの反射光との干渉光を検出する
干渉光検出手段と、上記カンチレバ−ホルダからの反射
光と上記試料からの反射光との干渉縞を基に上記カンチ
レバ−ホルダと上記試料との間隔を演算する演算手段と
を備えたことにある。こうすることによって本発明は、
外乱振動を確実に除去できるようにしたことにある。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１〜図４に基づ
いて説明する。

【０００９】図１は本発明の一実施例を示すもので、図
中の符号１は原子間力顕微鏡（以下、ＡＦＭと称する）
である。このＡＦＭ１は匡体２内に試料台３、及び、チ
ュ−ブスキャナ型圧電素子（以下、圧電素子と称する）
４を備えており、試料台３は圧電素子４上に固定されて
いる。そして、圧電素子４は試料台３をＸＹＺの三軸方
向に変位させ、試料台３に載置された試料５を走査す
る。

【００１０】さらに、ＡＦＭ１にはカンチレバ−６が備
えられており、このカンチレバ−６は先端部に尖鋭な探
針（図示しない）を有している。図１〜図３に示すよう
に、カンチレバ−６はカンチレバ−ホルダ７によって保
持されている。カンチレバ−６の材質として光透過性の
材質、例えば透明な材質が採用されている。さらに、カ
ンチレバ−６は、先端部を斜め下方に向けて試料５上に
位置させている。そして、カンチレバ−６には、例えば
不透明な材質からなる遮光板８が垂設されている。

【００１１】また、ＡＦＭ１には、光源としての半導体
レ−ザ９、半導体レ−ザ９から出射された測定光として
のレ−ザ光１０をカンチレバ−６へ導く光学系１１、反
射光を検出する二分割式のポジション・センシティブ・
ディテクタ（以下、ＰＳＤと称する）１２、及び、干渉
光検出手段としてのラインセンサ１３が備えられてい
る。さらに、前記光学系１１は、ビ−ムスプリッタ１４
と全反射ミラ−１５、及び、レンズ系１６を有してい
る。

【００１２】図１及び図２に示すように、圧電素子４、
半導体レ−ザ９、ＰＳＤ１２、及び、ラインセンサ１３
は、演算手段としての制御演算回路１７に接続されてい
る。制御演算回路１７には、図２に示すように、制御回
路１８、メモリ１９、及び、半導体レ−ザドライバ２０
が備えられている。そして、圧電素子４は制御回路１８
によって制御されるとともに、ＰＳＤ１２及びラインセ
ンサ１３の出力は制御回路１８に入力される。また、こ
の制御演算回路１７は表示装置２１に接続されている。
つぎに、上述のＡＦＭ１の作用を説明する。

【００１３】まず、圧電素子４がＺ方向に動作し、試料
５がカンチレバ−６に近付けられる。試料５とカンチレ
バ−６の探針との間の原子間力により、カンチレバ−６
が変形して撓む。

【００１４】一方、半導体レ−ザ９から出射されたレ−
ザ光１０は、ビ−ムスプリッタ１４によって二分割され
る。一方のレ−ザ光１０ａはカンチレバ−６へ導かれ、
カンチレバ−６に照射される。カンチレバ−６からの反
射光は、ＰＳＤ１２によって受光され、ＰＳＤ１２の出
力は制御回路１８に送られる。そして、ＰＳＤ１２の出
力を基にして、カンチレバ−６の撓み量が求められる。
つまり、カンチレバ−１２の撓み量の測定には、光てこ
方式が採用されている。

【００１５】圧電素子４は、制御回路１８からの指示に
従って、カンチレバ−６の変形量が一定になるよう、つ
まり、カンチレバ−６に加わっている力が一定になるよ
う試料５を上下動させる。このとき、試料の上下動のた
めの制御量が制御演算回路１７のメモリ１９に蓄えられ
る。そして、圧電素子４がＸＹ方向へ駆動され、試料５
が水平方向に移動する。

【００１６】さらに、試料５をＺ方向に移動させるため
の制御量と、ＸＹ方向に移動させるための制御量とを基
にして、試料５の表面形状が表示装置２１に表示され
る。この表示結果には、試料５の表面の微細な形状が表
れる。

【００１７】半導体レ−ザ９から出射されたレ−ザ光の
うちのもう一方のレ−ザ光１０ｂは、全反射ミラ−１４
によって方向修正され、カンチレバ−ホルダ７へ向けら
れる。さらに、このレ−ザ光１０ｂは、レンズ系１６に
よって絞られ、光透過性を有するカンチレバ−ホルダ７
を透過して試料５の表面に照射される。

【００１８】図４に示すように、試料５からの反射光ｅ
₁ とカンチレバ−ホルダ７からの反射光ｅ₂ とが生じ、
両反射光ｅ₁ 、ｅ₂ はラインセンサ１３に入射する。そ
して、ラインセンサ１３の出力を基にして、試料５とカ
ンチレバ−ホルダ７との間隔が測定される。

【００１９】試料５とカンチレバ−ホルダ７の間隔は逐
次求められ、間隔の変動を基にして外乱振動が検出され
る。そして、ＰＳＤ１２によって検出されたカンチレバ
−６の撓み量から外乱振動の成分が除去される。つぎ
に、試料５とカンチレバ−ホルダ７との間隔の測定方法
を説明する。

【００２０】図４に示すように、カンチレバ−ホルダ７
に導かれたレ−ザ光１０ｂの一部は、カンチレバホルダ
７の表面７ａで反射し、他の一部はカンチレバ−ホルダ
７の裏面７ｂで反射する。さらに、両面７ａ、７ｂで反
射しなかったレ−ザ光は、カンチレバ−ホルダ７を透過
し、試料５に達し、試料面５ａで反射する。カンチレバ
−ホルダ７の表面７ａからの反射光ｅ₃ は、遮光板８に
よって遮られる。ここで、レ−ザ光の試料面５ａへの入
射角度をθとし、カンチレバ−ホルダ７の裏面７ｂへの
入射角度をθ´とする。

【００２１】試料面５ａからの反射光ｅ₁ は、カンチレ
バ−ホルダ７の裏面７ｂ及び表面７ａで屈折しながらカ
ンチレバ−ホルダ７を透過する。また、カンチレバ−ホ
ルダ７の裏面５ｂからの反射光ｅ₂ は、表面５ａで屈折
してカンチレバ−ホルダ７を透過する。両反射光ｅ₁ 、
ｅ₂ は互いに干渉し、両反射光ｅ₁ 、ｅ₂ の干渉光がラ
インセンサ１３に入射する。そして、ラインセンサ１３
は、干渉光の強度変化に応じた電気信号を制御回路１８
へ出力する。両反射光ｅ₁ 、ｅ₂ が重なり合うと干渉縞
２２が生じ、この干渉縞２２の平均間隔Δｘは以下の式
によって表される。 Δｘ＝ｂλ／（２ｈ・ tanθ・ cosθ´） …（１）

【００２２】ここで、ｂはカンチレバ−ホルダ７の裏面
７ｂからラインセンサ１３までの距離、λはレ−ザ光１
０ｂの波長、及び、ｈは試料５とカンチレバ−ホルダ７
との間隔をそれぞれ表している。上記（１）式より、試
料５とカンチレバ−ホルダ７との間隔ｈは以下の（２）
式によって表される。 ｈ＝ｂλ／（２Δｘ・ tanθ・ cosθ´） …（２） この（２）式によって、試料５とカンチレバ−ホルダ７
との間隔ｈが求められる。

【００２３】すなわち、上述のようなＡＦＭ１において
は、試料５とカンチレバ−ホルダ７との間隔ｈが逐次求
められ、この間隔ｈを基にしてカンチレバ−ホルダ７の
振動が検出される。そして、ＰＳＤ１２によって検出さ
れたカンチレバ−６の撓み量から外乱振動の成分が除去
される。したがって、外乱振動を高精度に検知でき、外
乱振動を確実に除去することが可能になる。また、外乱
振動の検出を、カンチレバ−６の固有振動数に関係なく
行えるので、原子間力を任意に設定できる。

【００２４】なお、本実施例においては、カンチレバ−
６の撓み量の測定と、間隔ｈの測定とのために、一つの
半導体レ−ザ９から出力されたレ−ザ光１０が二分割さ
れているが、本発明はこれに限定されるものではなく、
例えば、それぞれの測定のためにレ−ザ光源を独立に設
置してもよい。

【００２５】また、本実施例では、間隔測定のためにラ
インセンサ１３が用いられているが、本発明はこれに限
定されるものではなく、例えばＣＣＤカメラ等を用いる
ことも可能である。

【００２６】さらに、本実施例では、光てこ方式のＡＦ
Ｍ１が説明されているが、ＡＦＭ１以外の走査型プロ−
ブ顕微鏡（例えばＳＴＭ（走査型トンネル顕微鏡）等）
にも適用可能である。特に、ＳＴＭのカンチレバ−の変
位検出にも、本実施例の間隔測定方法を適用することが
可能である。

【００２７】また、本実施例では、試料５の走査にチュ
−ブスキャナ型の圧電素子４が用いられているが、この
他にも、例えばトライポッド型やバイモルフ型の圧電素
子を適用することも可能である。そして、本発明は要旨
を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、試料とカ
ンチレバ−との間の原子間力を利用して上記カンチレバ
−を撓ませる原子間力顕微鏡において、測定光を発する
光源と、上記カンチレバ−を保持するとともに上記測定
光を透過及び反射させるカンチレバ−ホルダと、上記測
定光を上記カンチレバ−ホルダに導く光学系と、上記カ
ンチレバ−ホルダからの反射光と上記試料からの反射光
との干渉光を検出する干渉光検出手段と、上記カンチレ
バ−ホルダからの反射光と上記試料からの反射光との干
渉縞を基に上記カンチレバ−ホルダと上記試料との間隔
を演算する演算手段とを備えたことにある。したがって
本発明は、外乱振動を確実に除去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ＡＦＭを、カンチレバ−ホ
ルダを正面に向けて示す構成図。

【図２】本発明の一実施例のＡＦＭを、カンチレバ−ホ
ルダを側方に向けて示す構成図。

【図３】（ａ）はカンチレバ−ホルダの先端部の正面
図、（ｂ）はカンチレバ−ホルダの先端部の側面図。

【図４】本発明の一実施例の間隔測定方法を示す説明
図。

【符号の説明】

１…原子間力顕微鏡、５…試料、６…カンチレバ−、７
…カンチレバ−ホルダ、８…遮光板、９…半導体レ−ザ
（光源）、１０…レ−ザ光（測定光）、１１…光学系、
１３…ラインセンサ（干渉光検出手段）、１７…演算制
御回路（演算手段）。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料とカンチレバ−との間の原子間力を
   利用して上記カンチレバ−を撓ませる原子間力顕微鏡に
   おいて、測定光を発する光源と、上記カンチレバ−を保
   持するとともに上記測定光を透過及び反射させるカンチ
   レバ−ホルダと、上記測定光を上記カンチレバ−ホルダ
   に導く光学系と、上記カンチレバ−ホルダからの反射光
   と上記試料からの反射光との干渉光を検出する干渉光検
   出手段と、上記カンチレバ−ホルダからの反射光と上記
   試料からの反射光との干渉縞を基に上記カンチレバ−ホ
   ルダと上記試料との間隔を演算する演算手段とを備えた
   ことを特徴とする原子間力顕微鏡。