JPH07159420A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】振動に強く熱ドリフトの少ない走査型プローブ
顕微鏡を提供する。 【構成】ベース１０２の上に三軸方向に移動可能なチュ
ーブスキャナー１０４が取り付けられている。試料１０
８はチューブスキャナー１０４の上端に設けた試料台１
０６の上に載置される。支持台１１０の上にＸＹＺステ
ージ１１２が設けられている。その自由端にプローブを
備えているカンチレバー１１８は、カンチレバー支持１
１６を介してＸＹＺステージ１１２に固定されている。
ＸＹＺステージ１１２の上には更に別のＸＹＺステージ
１１４が設けられていて、このＸＹＺステージ１１４
に、プローブの変位を検出する光集積型センサー１３０
がセンサー支持１２０を介して固定されている。光集積
型センサー１３０の上方には、試料１０８を光学的に観
察するための光学顕微鏡（その対物レンズ１２４のみを
図示した）が配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、走査型プローブ顕微鏡
に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）では観察
できない絶縁性の試料を原子サイズの分解能で観察でき
る顕微鏡として、原子間力顕微鏡（AFM; Atomic Force
Microscope）が G. Binnigにより提案されている（特開
昭６２−１３０３０２）。

【０００３】ＡＦＭはＳＴＭに類似しており、走査型プ
ローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の一つとして位置づけられる。
ＡＦＭでは、自由端に鋭い突起部分（探針部）を持つカ
ンチレバーを、試料に対向・近接して配置し、探針の先
端の原子と試料原子との間に働く相互作用力により変位
するカンチレバーの動きを電気的手段あるいは光学的手
段を用いて測定しつつ試料をＸＹ方向に走査し、カンチ
レバーの探針部との位置関係を相対的に変化させること
によって、試料の凹凸情報などを原子サイズのオーダと
いった極めて高い分解能で三次元的にとらえることがで
きる。

【０００４】特開昭６２−１３０３０２に示されるＡＦ
Ｍ装置においては、プローブであるカンチレバーの変位
を測定する為に、ＳＴＭが変位センサーとして使われて
いるが、現在は光学式変位センサーを用いるのが一般的
であり、光学式変位センサーを用いたＡＦＭとして、例
えば特開平３−１０２２０９に示される装置がある。

【０００５】図１３に、臨界角方式の光学式変位センサ
ーを用いたＡＦＭ装置１３００を示す。ここで用いてい
る光学式変位センサーは、特開昭６２−３６５０２等に
おいて開示されているもので、半導体レーザ１３０６、
コリメータレンズ１３０７、偏光ビームスプリッタ１３
０８、ダイクロイックミラー１３０５、四分の一波長板
１３０９、対物レンズ１３１０、臨界角プリズム１３１
１、二分割光ディテクタ１３１２ａと１３１２ｂ、差動
アンプ１３１３により構成されている。

【０００６】半導体レーザ１３０６から発せられたレー
ザ光はコリメータレンズ１３０７で平行光とされた後、
偏光ビームスプリッタ１３０８に続いてダイクロイック
ミラーで反射され、四分の一波長板１３０９を通過する
ことで直線偏光から円偏光となって、対物レンズ１３１
０でカンチレバー１３０４上に集光される。カンチレバ
ー１３０４で反射した光は、対物レンズ１３１０と四分
の一波長板１３０９を通り、初めの直線偏光とはその偏
光方向が直交する直線偏光となり、このため偏光ビーム
スプリッタ１３０８で反射させることなくこれを透過し
て臨界角プリズム１３１１へ入射し、その内部で反射さ
れた後、二分割光ディテクタ１３１２ａと１３１２ｂへ
入射する。カンチレバー１３０４の先端の探針１３０３
が測定試料１３０２の凹凸をとらえてカンチレバー１３
０４が上下に変位すると、二分割光ディテクタ１３１２
ａと１３１２ｂへ入射する光量のバランスが変化する。
従って、二分割光ディテクタ１３１２ａと１３１２ｂの
出力の差をとる差動アンプ１３１３は、測定試料１３０
２の凹凸情報を反映した信号すなわち変位信号を出力す
る。変位信号は端子１３１４より取り出される。

【０００７】このＡＦＭ装置１３００では、光学式変位
センサーの構成要素のひとつである対物レンズ１３１０
は、接眼レンズ１３２０と相俟って、試料１３０２を光
学的に観察するための光学顕微鏡を構成している。ま
た、その照明光学系が、レンズ１３１６、絞り１３１
７、レンズ１３１８、ハーフミラー１３１９によって構
成されている。この光学顕微鏡は、固体撮像素子１３２
１とモニターテレビ（図示せず）を用いて試料の光学的
な観察を行ない、これによりＡＦＭ装置で測定したい箇
所の位置決めが容易に行なえる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】走査型プローブ顕微鏡
において、極めて高い分解能を実現するには、装置が振
動に対して強く、熱ドリフトが少ないことが要求され
る。それには、装置はできるだけ小型であることが望ま
しい。

【０００９】これに応えるものの一例として、カンチレ
バー上に光導波路を形成し、この光導波路を利用して変
位センサーを構成し、変位センサー部を極めて小型にし
たものが、特開平４−１６２３４０に開示されている。

【００１０】一方、特開昭６２−１３０３０２や特開平
３−１０２２０９のＡＦＭでは、カンチレバーやその変
位センサーは固定されており、試料を載せたスキャナー
の方を駆動することで、ＸＹ走査とＺサーボを行ない、
ＡＦＭ像を得ている。しかし、この構成は試料が大型の
場合、走査の最中、分解能の低下を招く原因となる振動
が試料に生じ易い。このため、８インチサイズのシリコ
ンウェハー等の大型の試料も高い分解能で測定できるよ
う、試料は固定とし、カンチレバーや変位センサーの側
を移動させてＸＹ走査とＺサーボを行なう、いわゆるレ
バー走査型のＡＦＭ装置が考えられている。このレバー
走査型のＡＦＭには、小型の変位センサーが必要であ
る。その理由は、スキャナーにカンチレバーや変位セン
サーをつけて走査する時、重量が軽い方が走査系全体の
共振周波数が高くなり振動に対して強くなるため、セン
サー自体が小型であることにより剛性が高くなり振動が
少なくなるためである。

【００１１】この用途に適した小型のカンチレバー変位
センサーの一例がＵＳＰ５０２６５８に開示されてい
る。本発明は、分解能の更なる改善を図るためになされ
たもので、振動に強くしかも熱ドリフトの少ない走査型
プローブ顕微鏡を提供することを目的とする。また、大
型の試料も観察できるレバー走査型の走査型プローブ顕
微鏡を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】ところで、光ディスクの
分野では、ひとつの基板に種々の光学素子を設けた集積
型光ピックアップが提案されており、特開昭６１−８５
６３７や特開平４−１５９６２６等に開示されている。
この集積型光ピックアップは、基板表面に設けた光導波
路、光導波路表面に形成したフォーカッシンググレーテ
ィングカップラー（ＦＧＣ）、基板に設けた受光素子を
備えており、導波光をＦＧＣにより放射して光ディスク
に集光し、その反射光をＦＧＣにより再び導波光に変換
し、その導波光を受光素子で受けて種々の信号を再生し
ている。その信号のひとつにフォーカッシングエラー信
号があり、これはＦＧＣと光ディスクの間の距離変化に
対応している。

【００１３】本発明は、この集積型光ピックアップの技
術を応用して変位センサーを構成した備える走査型プロ
ーブ顕微鏡である。つまり、本発明の走査型プローブ顕
微鏡は、先端が尖ったプローブと、その自由端でプロー
ブを支持していてプローブに力が働いた際にその強さに
応じて弾性変形するカンチレバーと、プローブを試料表
面に沿って走査する走査手段と、プローブの変位を検出
する変位検出手段と、プローブと試料表面の間の距離を
制御する距離制御手段と、走査手段と距離制御手段から
の信号に基づいて試料表面の情報を画像化する手段とを
備えており、変位検出手段が光集積型センサーで構成さ
れている。

【００１４】

【作用】本発明の走査型プローブ顕微鏡では、プローブ
の変位検出手段は光集積型センサーで構成されている。
光集積型センサーは、光導波路と、光導波路内に光を導
入する光源手段と、導波光を射出しカンチレバーに集光
する集光手段と、カンチレバーからの反射光を光導波路
に再導入する再導入手段と、再導入した導波光を検出す
る光検出手段とを備えている。集光手段と再導入手段は
例えばＦＧＣであり、光検出手段は分割フォトディテク
ターなどで構成される。これらの光学素子は、半導体プ
ロセスを用いて、シリコンやガラスなどのひとつの基板
の上に集積して形成される。従って、変位検出手段であ
る光集積型センサーは非常に軽量小型に作られる。

【００１５】光源手段から光導波路内に導入された光
は、集光手段から射出されるとともにカンチレバーの自
由端の背面（プローブを取り付けた面の反対側の面）に
集光される。カンチレバーの自由端の背面で反射された
光は、再導入手段により再び光導波路内に導入され、そ
の導波光は光検出手段に入射する。プローブすなわちカ
ンチレバーの自由端の変位に相当する信号は、集積型光
ピックアップにおいてフォーカッシングエラー信号を得
る技術がそのまま利用できる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の走査型プローブ顕微鏡の実施
例を用いて説明する。 ＜第一実施例＞第一実施例の走査型プローブ顕微鏡の概
略的な構成を図１に示す。図１に示すように、ベース１
０２の上に三軸方向の微少送りが可能なチューブスキャ
ナー１０４が取り付けられている。観察する試料１０８
は、このチューブスキャナー１０４の上に設けた試料台
１０６の上に載置される。チューブスキャナー１０４の
近くには、ベース１０２に固定された支持台１１０があ
り、この支持台１１０の上にＸＹＺステージ１１２が設
けられている。その自由端にプローブを備えているカン
チレバー１１８は、カンチレバー支持１１６を介してＸ
ＹＺステージ１１２に固定されていて、ＸＹＺ方向に移
動できるように支持されている。ＸＹＺステージ１１２
の上には更に別のＸＹＺステージ１１４が設けられてい
て、このＸＹＺステージ１１４に、プローブすなわちカ
ンチレバー１１８の自由端の変位を検出する光集積型セ
ンサー１３０がセンサー支持１２０を介して固定されて
いる。これにより光集積型センサー１３０は、カンチレ
バー１１８に対してＸＹＺ方向に相対的に移動できるよ
うにカンチレバー１１８の上方に支持されていて、光集
積型センサー１３０の射出光がカンチレバー１１８の自
由端の背面で焦点を結ぶようにする調整の際にカンチレ
バー１１８に対して相対的に移動される。なお、カンチ
レバーを利用する走査プローブ顕微鏡においては、一般
にカンチレバーが試料面に対して、若干傾いて配置され
るので、ＸＹＺステージ１１２，１１４に傾き角調整機
能を設けることで、さらに精度の良い計測が可能にな
る。

【００１７】光集積型センサー１３０の上方には、試料
１０８を光学的に観察するための光学顕微鏡（その対物
レンズ１２４のみを図示した）が配置されている。図２
に示すように、センサー支持１２０と光集積型センサー
１３０の各々には顕微鏡観察のための窓１２２と１３６
がそれぞれ設けられており、これらの窓１２２と１３６
を介して試料１０８がカンチレバー１１８と共に光学的
に観察される。これにより、試料の１０８の観察したい
箇所にカンチレバー１１８を配置することが容易に行な
える。

【００１８】次に光集積型センサー１３０の詳しい構成
を図３に示す。図３に示すように、シリコン基板１３２
の上にスラブ型の光導波路１３４が形成されている。そ
の中央部にはシリコン基板１３２と光導波路１３４を貫
通する開口（前述した顕微鏡観察のための窓）１３６が
形成されている。光導波路１３４の端面には、光導波路
内部に光を射出する半導体レーザー（ＬＤ）１２６が取
り付けられている。光導波路１３４の表面には、窓１３
６とＬＤ１２６の間で窓１３６の近くに、導波光を空間
放射光に変換すると共にこの空間放射光をカンチレバー
１１８の自由端の背面に集光するフォーカッシンググレ
ーティングカップラー（ＦＧＣ）１３８が形成されてい
る。さらに、光導波路１３４の表面には、窓１３６の近
くでＦＧＣ１３８の反対側にあたる部分に、カンチレバ
ー１８の自由端の背面で反射された光を導波光に変換す
る別のＦＧＣ１４０が形成されている。また、ＬＤ１２
６の反対側にあたるシリコン基板１３２の端部には、そ
の両隅に二分割フォトダイオード１４４がひとつずつ形
成されている。二分割フォトダイオード１４４とＦＧＣ
１４０の間でＦＧＣ１４０の近くにおいて、光導波路１
３４の表面には、ＦＧＣ１４０で変換された導波光を二
分し、その各々をシリコン基板１３２の両隅に設けた二
分割フォトダイオード１４４に向けるビームスプリッタ
ー１４２が形成されている。

【００１９】ＬＤ１２６から射出された光は、光導波路
１３４の端面から直接光導波路内部に導入され、光導波
路内を伝搬する導波光となる。この導波光は、光導波路
内をＦＧＣ１３８の下部まで伝搬し、ＦＧＣ１３８によ
り空間放射光に変換され、斜め上方に放射される。ＦＧ
Ｃ１３８は結合機能に加えて集光機能を併せ持ってお
り、したがってＦＧＣ１３８からの放射光は集束性のビ
ームとなり、カンチレバー１１８の自由端の背面に集光
される。なお、カンチレバー１１８と光集積型センサー
１３０は、ＦＧＣ１３８からの放射光がカンチレバー１
１８の自由端の背面で合焦するように、その相対的な位
置を予め調整しておく。カンチレバー１１８の自由端の
背面で反射された光は、ＦＧＣ１４０に入射し、再び導
波光に変換される。この導波光はビームスプリッター１
４２によって二分され、基板の両隅に設けられた二分割
フォトダイオード１４４に向かう。

【００２０】次に図４と図５を参照して、カンチレバー
の変位の検出について説明する。図４に示すように、二
分割フォトダイオード１４４の各受光部を一方の側から
順にＰＤ１〜ＰＤ４とする。

【００２１】ＦＧＣ１４０の焦点距離および二分割フォ
トダイオード１４４の位置は、カンチレバーの背面の反
射面がＦＧＣ１３８の焦点に位置するとき、ＦＧＣ１４
０を介して光導波路に入った光が、ビームスプリッター
１４２で二分された後に、二分割フォトダイオードの分
割点（ＰＤ１とＰＤ２の境界およびＰＤ３とＰＤ４の境
界）に集光するように選んである。

【００２２】ＦＧＣ焦点位置より奥にカンチレバー反射
面がある（反射面が遠い）場合、導波光の外側の光束が
内側にきて、フォトダイオード手前焦点を結ぶ。ＦＧＣ
焦点位置より手前にカンチレバー反射面がある（反射面
が近い）場合、導波光の外側の光束が外側にきてフォト
ダイオードより奥に焦点を結ぶ。

【００２３】図５に示すように、外側の受光部の信号和
（ＰＤ１）＋（ＰＤ４）をＡ、内側の受光部の信号和
（ＰＤ２）＋（ＰＤ３）をＢとすると、カンチレバー反
射面が近い方から遠い方へ移動していくＡとＢの差信号
Ａ−ＢをＣとすると、Ｃは、焦点位置に反射面が一致す
る位置の前後で急激に変化する。この信号をモニターす
ることにより、試料上をカンチレバーがなぞった時の微
少な上下の変化を検知される。

【００２４】続いて、光集積型センサー１３０の製造方
法を図６（ａ）〜（ｉ）を参照して説明する。まず、シ
リコン基板１３２（Ｎ型）のフォトダイオード形成部に
シリコン窒化膜１８０を形成し（図６（ａ））、熱酸化
により光導波路のクラッド層となるＳｉＯ2 層１３４ａ
（屈折率ｎ＝１．４７）を形成する（図６（ｂ））。次
に、シリコン窒化膜１８０を除去し、Ｂ（ボロン）をイ
オン打ち込みし、ＰＮ接合により、フォトダイオード１
４４を形成する（図６（ｃ））。その上に光導波路のコ
ア層となるガラス層１３４ｂ（コーニング７０５９：ｎ
＝１．５３）をスパッタリングにより形成する（図６
（ｄ））。更にその上にＦＧＣとビームスプリッター用
のグレーティング層となるシリコン窒化膜１８２を同じ
くスパッタリングにより形成する（図６（ｅ））。その
上にレジスト１８４を設け、これに電子ビームで直接描
画し現像を行なった後（図６（ｆ））、ドライエッチン
グによりグレーティング（１３８、１４０、１４２）を
形成する（図６（ｇ））。そして、この構造体の上面
に、開口（窓１３６）を開ける領域以外をフォトレジス
トで覆ってフッ酸でエッチングし、ガラス層１３４ｂと
ＳｉＯ2 層１３４ａを貫通する開口１８６を形成すると
ともに、シリコン基板１３２の裏面にシリコン窒化膜１
８８をスパッタリングして形成した後、フォトリソグラ
フィーを用いてパターニングする（図６（ｈ））。そし
て、上面をポリイミドで覆ったのち、ＥＤＰ（エチレン
・ジアミン・ピロカテコール・水）で裏面より湿式異方
性エッチングして窓１３６を形成する（図６（ｉ））。
最後に、この構造体をダイシングソーによりチップ状に
分割した後、ポリイミドを除去し、開口部のフォトダイ
オード側の側面に遮光用のスミを塗り、シリコン基板の
端面（図では右端）にＬＤを接着して、本実施例で使用
している光集積型センサー１３０を得る。このように作
製した光集積型センサーの大きさは、ＬＤを除くと、３
０ｍｍ×１５ｍｍ×０．５ｍｍときわめて小さく、その
重さも１ｇ以下と軽量であった。

【００２５】本実施例では、プローブの変位検出系を小
型軽量の光集積型センサーで構成しているので、振動に
対して強く、熱ドリフトの少ない走査型プローブ顕微鏡
が得られた。更に、光集積型センサー１３０に設けた窓
１３６を介して光学顕微鏡により試料を観察できるの
で、走査型プローブ顕微鏡による試料観察に先だって行
なわれるプローブの位置決めが容易に行なえる。

【００２６】なお、本実施例では、図３に示すように、
カンチレバー１１８の長手方向と光集積型センサー内の
光の進行方向をほぼ平行な位置関係にとったが、カンチ
レバーを直角あるいはねじれの位置関係になるよう配置
しても一向に構わない。 ＜第二実施例＞第二実施例として別の光集積型センサー
を図７に示す。図７に示すように、本実施例の光集積型
センサーは、透明な石英（ＳｉＯ2 ）基板２３２の上に
光導波路２３４が設けられている。光導波路２３４は単
層のガラス層（コーニング７０５９）で構成されてい
る。本実施例では、基板材料である石英の屈折率は１．
４７でガラス層の屈折率１．５３より小さいため、基板
自体をクラッド層とできるため、前述の第一実施例の様
にクラッド層を設けることなく、単層のガラス層で光導
波路２３４が構成されている。光導波路２３４の端面に
はＬＤ２３６が取り付けられており、その反対側の端面
にはその両端に二分割フォトダイオード２４４が取り付
けられている。光導波路２３４の上面には、導波光を集
束性の放射光に変換するＦＧＣ２３８、カンチレバー２
１８からの反射光を導波光に変換するＦＧＣ２４０、Ｆ
ＧＣ２４０からの導波光を分割しフォトダイオード向け
るビームスプリッター２４２が形成されている。また、
ＦＧＣ２３８とＦＧＣ２４０の間には、光導波路２３４
を分離する溝に遮光材を充填して構成した遮光部２４６
が設けられている。

【００２７】この光集積型センサーを間に挟んで試料２
０８の反対側には光学顕微鏡（対物レンズ２２４のみ図
示）が配置されており、透明な石英基板２３２と光導波
路２３４を介して試料２０８の光学的観察が行なわれ
る。石英基板２３２は可視光域を中心に紫外域から近赤
外域に渡って透明なので、顕微鏡観察のための窓を設け
ることなく、カンチレバー２１８や試料２０８を観察で
きる。従って、第一実施例に比べて穴あけ工程が省略さ
れ、プロセスが簡素化される利点がある。しかし、石英
基板上に半導体プロセスによりフォトダイオードを形成
することはできないので、フォトダイオード２４４は別
部品として基板端面に接着により取り付けるため、接着
の際に位置調整が必要となる。

【００２８】ＬＤ２２６から射出された光は光導波路内
を導波し、ＦＧＣ２３８によりカンチレバー２１８に向
けて放射される。ＦＧＣ２３８の下を通過した導波光は
遮光部２４６によって吸収あるいは反射され、フォトダ
イオード２４４に入射することはない。カンチレバー２
１８で反射された光はＦＧＣ２４０に入射し導波光に変
換され、ビームスプリッター２４２により二分され、フ
ォトダイオード２４４に集光する。カンチレバーの変位
の検出は前述の第一実施例と全く同様に行なわれる。

【００２９】本実施例で説明した光集積型センサーは図
１に示した走査型プローブ顕微鏡にそのまま適用でき、
第一実施例と同様、操作性が良く、振動に対して強く、
熱ドリフトの少ない走査型プローブ顕微鏡が得られる。

【００３０】第一実施例の光集積型センサーは、基板に
観察用窓（開口）があるため、チップを切り出す際に、
この窓から割れてしまうことがあったが、本実施例の光
集積型センサーには開口がないので、このような事態は
なくなる。また、光集積型センサーの構造体としての固
さも向上し、一層振動に対して強くなる。 ＜第三実施例＞第三実施例として、図１の走査型プロー
ブ顕微鏡に適用できる更に別の光集積型センサーを図８
に示す。

【００３１】石英基板３３２の上に単層のガラス層から
なる光導波層３３４が形成されている。光導波路３３４
の一端面にはＬＤ３２６が取り付けられており、その反
対側の端面にはふたつの二分割フォトダイオード３４４
が所定の間隔をおいて取り付けられている。光導波路３
３４の表面には、導波光をカンチレバー３１８の自由端
背面に集光する放射光に変換するＦＧＣ３３８、カンチ
レバー３１８からの反射光を導波光に変換するＦＧＣ３
４０、ＦＧＣ３４０からの導波光を二分割してその各々
をフォトダイオード３４４に向けるビームスプリッター
３４２が形成されている。ＦＧＣ３４０は、ＬＤ３２６
とＦＧＣ３３８を結ぶ直線上から外れた位置に形成され
ている。この位置関係により、ＦＧＣ３３８の下を通過
した導波光が、ＦＧＣ３４０やフォトダイオード３４４
に入射することはない。

【００３２】試料３０８と光学顕微鏡（対物レンズ３２
４のみ図示する）は、この光集積型センサーを間に挟ん
で配置され、光学的な観察は透明な石英基板３３２と光
導波路３３４を介して行なわれる。

【００３３】この光集積型センサーを図１に示す構成の
走査型プローブ顕微鏡に適用した場合に、Ｓ／Ｎ比が高
く高精度の変位検出が行なえた。 ＜第四実施例＞第四実施例として、図１の走査型プロー
ブ顕微鏡に適用できる更に別の光集積型センサーを図９
に示す。

【００３４】シリコン基板４３２の上に、クラッド層と
コア層からなる光導波路４３４が形成されている。図の
左側手前の光導波路４３４の端面にはＬＤ４２６が取り
付けられている。また、図の左側奥のシリコン基板４３
２にはふたつの二分割フォトダイオード４４４が所定の
間隔をおいて形成されている。図の右側の光導波路４３
４の上面には、その手前側に、導波光をカンチレバー４
１８の自由端背面に集光する放射光に変換するＦＧＣ４
３８が形成されており、また奥側には、カンチレバー４
１８からの反射光を導波光に変換するＦＧＣ４４０と、
その導波光を二分割してその各々をフォトダイオード４
４４に向けるビームスプリッター３４２が形成されてい
る。ＦＧＣ４３８とＦＧＣ３４０の間には、試料４０８
を光学顕微鏡により観察するための開口４３６が形成さ
れている。

【００３５】ＬＤ４２６から射出された光はＦＧＣ４３
８から射出されカンチレバー４１８の背面に集光され
る。その反射光はＦＧＣ４４０に入射し導波光となりビ
ームスプリッター４４２により分割されフォトダイオー
ド４４４に集光される。変位信号は第一実施例と同様に
して得られる。

【００３６】本実施例では、ＬＤ４２６からＦＧＣ４３
８に向かう導波光と、ＦＧＣ４４０からフォトダイオー
ド４４４に向かう導波光が逆向きになっているため、高
いＳ／Ｎの変位信号が得られる。

【００３７】本実施例の光集積型センサーを用いた図１
と同様の構成の走査型プローブ顕微鏡は、操作性が良
く、Ｓ／Ｎが高く、高精度の変位検出を行なえた。更
に、本実施例の光集積型センサーは、ＬＤ４２６やフォ
トダイオード４４４がふたつのＦＧＣ４３８と４４０に
対して片側に配置されているため、図９で示すカンチレ
バー４１８を左右反転させ配置することにより、光学顕
微鏡を右下に配置することにより、開口４３６を設けな
くとも、カンチレバー４１８や試料４０８を観察でき
る、操作性の良い走査型プローブ顕微鏡を構成すること
もできる。 ＜第五実施例＞第五実施例として、更に別の光集積型セ
ンサーを図１０に示す。

【００３８】シリコン基板５３２の上に、クラッド層と
コア層からなる光導波路５３４が形成されている。基板
５３４は、矩形の一角を矩形に切り欠いた形状となって
いる。この切り欠き部の一辺の近くに導波光を集光性の
放射光に変換するＦＧＣ５３８が、他方の辺の近くに放
射光を導波光に変換するＦＧＣ５４０が、光導波路５３
４の表面に形成されている。ＦＧＣ５３８の近くの切り
欠き部の一辺に平行な端面に、ＦＧＣ５３８に向かう導
波光を光導波路内に射出するＬＤ５２６が取り付けられ
ている。また、ＦＧＣ５４０の近くの切り欠き部の一辺
に平行な端面の近くに、ふたつの二分割フォトダイオー
ド５４４が所定の間隔をおいて設けられている。カンチ
レバー５１８は、光導波路５３４に設けたカンチレバー
取付台５４８に取り付けられ、その自由端が切り欠き部
のところに延出するように支持されている。光学顕微鏡
の対物レンズ５２４は、切り欠き部の近くに配置され、
切り欠き部に延出しているカンチレバー５１８の自由端
と試料（図示せず）を光学的に観察できるようになって
いる。

【００３９】ＬＤ５２６からＦＧＣ５３８に向かう導波
光の進行方向と、ＦＧＣ５４０からフォトダイオード５
４４に向かう導波光の進行方向はほぼ直交しており、Ｌ
Ｄ５２６からＦＧＣ５３８に向かう導波光の進行方向の
前方には切り欠き部が形成されているため、この導波光
がＦＧＣ５４０やフォトダイオード５４４に入射するこ
とはない。

【００４０】カンチレバー５１８は、その軸が、ふたつ
のＦＧＣ５３８と５４０の軸がなす角を二等分する線上
に位置するように配置することにより、ふたつのＦＧＣ
５３８と５４０に光学的特性の同じものが使用でき、設
計および製造工程を簡略化することができる。

【００４１】カンチレバー５１８は半導体プロセスで作
製され、カンチレバーチップの厚さは精度良く作製され
るため、このカンチレバー取り付け台５４８上にカンレ
チバー５１８を置くことにより、複雑な位置合わせ機構
を設けずとも、焦点位置にカンチレバー背面を配置する
ことができる。

【００４２】更に、シリコン基板５３２と光導波路５３
４を矩形のひとつの角を切り欠いた形状としたことによ
り、この切り欠き部を介して光学顕微鏡によるカンチレ
バー５１８や試料５０８の観察が行なえ、操作性に優れ
た走査型プローブ顕微鏡を構成することができる。

【００４３】この光集積型センサーを用いて、図１で示
した走査プローブ顕微鏡より、カンチレバー１１８と、
カンチレバー支持１１６を取り除いた構成の走査プロー
ブ顕微鏡は操作性が良く、Ｓ／Ｎ比が高く、高精度の変
位検出が行なえた。 ＜第六実施例＞第六実施例はレバー走査型の走査型プロ
ーブ顕微鏡であり、その装置構成の概要を図１１に示
す。

【００４４】カンチレバー６０６と光集積型変位センサ
ー６４０は、それぞれ固定部材６０８と６２２を介して
圧電体よりなる円筒型のスキャナー６１０に固定されて
おり、スキャナーのＸＹＺ方向の変位に伴なって一緒に
ＸＹＺ方向に動くようになっている。スキャナー６１０
はベース６１２に固定されており、ベース６１２は三本
の支持柱（図には二本の支持柱６１４と６１６だけを示
してある）によって、大型の試料６０２の上方に支持さ
れている。また、ベース６１２にはＬＤ６２４が固定さ
れており、光ファイバー６２６とカプラー６２８により
光集積型センサー６４０の光導波路に光学的に接続され
ている。

【００４５】この走査型プローブ顕微鏡の近くには、対
物レンズ６３２と接眼レンズ６３４を有する実体顕微鏡
６３０が配置されている。光集積型センサーは、図１２
に示すように、シリコン基板６４２の上に、クラッド層
６４４ａと導波層６４４ｂからなる光導波路６４４が形
成されている。シリコン基板６４２にはふたつの二分割
フォトダイオード６５４が所定の間隔をおいて形成され
ている。光導波路６４４の上面には、導波光をカンチレ
バー６０６の自由端の背面に集光する放射光に変化する
と共にカンチレバー６０６からの反射光を導波光に変換
するＦＧＣ６５０と、ＦＧＣ６５０からの導波光を分割
してフォトダイオード６５４に向けるビームスプリッタ
ー６５２が形成されている。光導波路６４４の端面に
は、ＬＤ６２４（図１１に図示）からの光を伝送する光
ファイバー６２６がカップらー６２８を介して光学的に
結合されている。

【００４６】光ファイバー６２６を伝搬した光は、光導
波路６４４の端面から導波路内に入射し、ＦＧＣ６５０
に向かう導波光となる。導波光はＦＧＣ６５０により空
間に放射され、カンチレバー６０６の自由端の背面に集
光される。その反射光はＦＧＣ６５０に入射して再び導
波光となり、ビームスプリッター６５２によって、フォ
トダイオード６５４に向かう集束性の二本の導波光に分
けられる。

【００４７】本実施例で用いた光集積型センサーは、導
波光を放射光に変換するＦＧＣと放射光を導波光に変換
するＦＧＣが、ひとつのＦＧＣ６５０で兼用されている
ため、その大きさも１５ｍｍ×１５ｍｍ×０．５ｍｍ
と、前に述べた実施例の光集積型センサーに比べて一層
小型軽量になっている。また、ＬＤ６２４を分離してベ
ース６１２に固定したぶん更に軽量化されている。

【００４８】この結果、振動に対しても更に強く、熱ド
リフトを抑えられると同時に、レバー走査型の走査型プ
ローブ顕微鏡を構成したとき、センサーが軽量であるた
め高速の走査が行えるようになった。

【００４９】本実施例では、光集積型センサー６４０は
ＦＧＣ６５０に対してカプラー６２８やフォトダイオー
ドを同じ側に備えるコンパクトなセンサーとなっている
ため、図１１に示すように、実態顕微鏡６３０を用いて
カンチレバー６０６や試料６０２の観察を行うことがで
き、操作性の良い走査型プローブ顕微鏡を構成すること
ができる。

【００５０】

【発明の効果】本発明によれば、光集積型センサーは非
常に小型軽量に構成されるので、走査型プローブ顕微鏡
を小型に構成できるようになる。すなわち、振動に対し
て強く、熱ドリフトの少ない走査型プローブ顕微鏡が提
供されるようになる。また、光集積型センサーは非常に
小型軽量であるので、高速走査の行なえるレバー走査型
プローブ顕微鏡が提供されるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例の走査型プローブ顕微鏡の
構成を示す図である。

【図２】光学顕微鏡により得られる試料とカンチレバー
の観察像を示した図である。

【図３】図１の光集積型センサーの構成を示す図であ
る。

【図４】図３の光集積型センサーの変位検出の動作を説
明するための図である。

【図５】カンチレバーの位置と変位信号の関係を示した
グラフである。

【図６】図３の光集積型センサーの製造工程を示す図で
ある。

【図７】本発明の第二実施例である別の光集積型センサ
ーを示す図である。

【図８】本発明の第三実施例である更に別の光集積型セ
ンサーを示す図である。

【図９】本発明の第四実施例である更に別の光集積型セ
ンサーを示す図である。

【図１０】本発明の第五実施例である更に別の光集積型
センサーを示す図である。

【図１１】本発明の第六実施例の走査型プローブ顕微鏡
の構成を示す図である。

【図１２】図１１の光集積型センサーの構成を示す図
で、（Ａ）はその斜視図、（Ｂ）はその断面図である。

【図１３】従来の走査型プローブ顕微鏡の構成を示す図
である。

【符号の説明】

１０４…チューブスキャナー、１１２…ＸＹＺステー
ジ、１１８…カンチレバー、１３０…光集積型センサ
ー。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 先端が尖ったプローブと、 その自由端でプローブを支持していて、プローブに力が
   働いた際にその強さに応じて弾性変形するカンチレバー
   と、 プローブを試料表面に沿って走査する走査手段と、 プローブの変位を検出する変位検出手段と、 プローブと試料表面の間の距離を制御する距離制御手段
   と、 走査手段と距離制御手段からの信号に基づいて試料表面
   の情報を画像化する手段とを備え、 変位検出手段が光集積型センサーで構成されている走査
   型プローブ顕微鏡。
2. 【請求項２】 走査手段は、カンチレバーと光集積型セ
   ンサーを一緒に試料表面に平行な方向に移動させる手段
   を有し、距離制御手段は、カンチレバーと光集積型セン
   サーを一緒に試料表面に垂直な方向に移動させる手段を
   有している請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡。
3. 【請求項３】 光集積型センサーは、光導波路と、光導
   波路内に光を導入する光源手段と、導波光を射出しカン
   チレバーに集光する集光手段と、カンチレバーからの反
   射光を光導波路に再導入する再導入手段と、再導入した
   導波光を検出する光検出手段とを備えている請求項１ま
   たは請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡。