JPH08146015A - 走査型プローブ顕微鏡のカンチレバー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】探針が試料をトレースして上記試料の凹凸像と
屈折率分布の測定を行うと同時に、カンチレバーを移動
することなく、上記試料の光学観察を行うことができる
簡便な製法にて作成可能な走査型プローブ顕微鏡のカン
チレバーを提供する。 【構成】走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーにおい
て、上記カンチレバーの自由端部２を透明な素材にす
る。そして、この透明な自由端部２を通して試料観察を
行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、探針を試料に近接させ
て走査することにより、試料の微視的な表面情報を得る
とともに、試料表面を光学観察することのできる走査型
プローブ顕微鏡のカンチレバーに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡（以下ＳＰＭと記
す）としては、試料と探針の相互作用力をカンチレバー
を用いて検出する原子間力顕微鏡（Ａtomic Ｆorce Ｍ
icroscope ；ＡＦＭ）や、試料表面もしくは探針先端部
に局在するエバネッセント光を用いて光の回折限界を超
える分解能で試料の屈折率分布を測定する走査型近視野
光学顕微鏡（Ｓcanning Ｎear-Ｆield Ｏptical Ｍic
roscope 、以下ＳＮＯＭと記す）、もしくはＰhoton
（フォトン）走査型トンネル顕微鏡（以下ＰＳＴＭと記
す）などが知られている。

【０００３】上記ＡＦＭには、２つの代表的な検出方式
がある。一つは、特開昭６２ー１３０３０２号公報など
により開示されている、試料と探針のあいだに働く力を
一定に保つことにより、試料の凹凸を検出する方式であ
る。もう一つは、探針が試料に近接したことにより働
く、電場、磁場、ファンデルワールス引力等の力の勾配
を受けて、あたかもカンチレバーのバネ定数が変化した
ようになることを利用し、カンチレバーの共振特性の変
動を検出して試料の表面近傍の電場、磁場の分布あるい
は試料表面形状を測定するＡＣモードと呼ばれる方式で
ある［詳しくは、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ６
１、ｐ４７２３（１９８７）．参照のこと］。

【０００４】後者のＡＣモードのＡＦＭにおいて、探針
はバネ定数が０．０１から数Ｎ／ｍのカンチレバー上に
形成される。通常、このカンチレバーの共振周波数は、
数ｋＨｚ〜数百ｋＨｚである。さらに、上記カンチレバ
ーは励振用のアクチュエータに固定され、微動素子上に
支持された試料面すなわちｘｙ平面に正対するように配
置される。

【０００５】そして、探針が試料表面を走査している
間、上記励振用アクチュエータには、カンチレバーの共
振周波数近傍の周波数で、試料表面に垂直な方向に所定
の振幅の振動をするような信号が印加される。さらに、
圧電素子等で構成され試料を支持している微動素子は、
カンチレバーの振動振幅を一定に保つように０．１ｎｍ
以下の精度で制御される。このとき、試料は、試料表面
に垂直な方向、すなわちｚ方向に相対移動される。

【０００６】この結果、探針の先端は、試料の表面形状
を反映した曲面上をトレースする。したがって、探針先
端のｘｙ面上の位置と同時に、ｚ方向の位置を圧電体に
印加した電圧から求め、記録することにより、試料表面
の微細な凹凸を示す画像が得られる。

【０００７】一方、ＳＮＯＭは、自由空間を伝達するよ
うな光でなく、微小空間に局在するエバネッセント光の
特性を利用したものである。実際のＰＳＴＭによる測定
では、測定試料の表面近傍に局在するエバネッセント光
に光ピックアップ、すなわち、プローブを接触させるこ
とで散乱させて通常の伝搬光、すなわち、散乱光に変換
する。この散乱光を検出して散乱強度の地図を作成する
ことによって、光の波長より小さい物体に対する解像が
なされる。

【０００８】本出願人は、特願平５−３５０９６１号に
より、上記ＡＦＭとＳＮＯＭの二つのＳＰＭの動作を組
み合わせた走査型プローブ顕微鏡について以下のような
提案を行っている。図１４は、上記走査型プローブ顕微
鏡の構成を示す図である。

【０００９】この走査型プローブ顕微鏡では、レーザ光
源１１１から出力されたレーザ光は、光ファイバ１１２
を通して導光され、レンズ１１３で平行光にされる。こ
の平行光にされたレーザ光は、調整機構１１４によりプ
リズム１１５の表面に対して、常に全反射条件を満たす
角度で入射する。

【００１０】このような状態において、プリズム１１５
表面上の測定試料１１６の表面近傍には、エバネッセン
ト光が発生する。このとき、ｚ軸変調信号発生器１１７
から出力された励振信号に基づいて、圧電アクチュエー
タ１１８はカンチレバー１１９を測定試料１１６に対し
て垂直方向に所定の周波数ｆで振動させる。

【００１１】このとき、半導体レーザ１２０から出た光
は、カンチレバー１１９上の反射面１２１に当たって反
射し、２分割フォトダイオード１２２上にスポットとし
て入射する。上記２分割フォトダイオード１２２上に入
射した光量は、カンチレバー１１９の振動に応じて変化
する。この変化によって発生する２分割フォトダイオー
ド１２２からの光電流を変位検出器１２３で差動増幅す
れば、上記光電流はカンチレバー１１９の振動に応じた
信号に変換される。

【００１２】ロックインアンプ１２４は、ｚ軸変調信号
発生器１１７から出力された励振信号に基づいて、上記
周波数の励振信号に同期したカンチレバー１１９の振動
振幅を検出する。

【００１３】このカンチレバー１１９の振動振幅は、探
針部１２５と試料１１６の間の距離の変化に応じて変動
する。そこで、ｚ位置制御機構１２６は、上記振動振幅
を一定に保つようにアクチュエータ１２７のｚ方向を制
御するために上記振動振幅の信号を受け取り、演算制御
動作を行う。この演算制御動作により、探針部１２５の
振動中心と試料１１６の表面は、常に一定の間隔に保た
れる。

【００１４】これと同時にｘｙ走査装置１２８が接続さ
れたアクチュエータ１２７は、試料１１６をｘｙ方向に
走査する。このときのｘｙ走査装置１２８からのｘｙ走
査信号とｚ位置制御機構１２６からのｚ方向制御信号
は、画像解析装置１２９に取り込まれ、試料１１６の凹
凸を反映する画像を構築するために用いられる。

【００１５】このような試料１１６と探針部１２５の間
隔を一定に保つ制御の元において、探針部１２５は試料
１１６表面のエバネッセント光を散乱できる領域に保た
れる。

【００１６】探針部１２５は、エバネッセント光の局在
する試料１１６の表面に制御され、上記エバネッセント
光を散乱する。探針部１２５によって散乱された散乱光
は、対物レンズ１３０によって光検出器１３１に集光さ
れ、その光量に対応した光量信号に変換される。

【００１７】ここで、散乱光を発生させるための探針部
１２５は、上述したように励振周波数ｆで振動してお
り、上記光量信号も同期して振動することになる。そこ
で、光検出器１３１の出力信号を取り込んだロックイン
アンプ１３２は、励振周波数ｆに同期したエバネッセン
ト光強度のｚ方向依存性を反映するような信号（ＡＣ成
分）を検出する。また、上記光量信号は、ローパスフィ
ルタ１３３にも接続されており、エバネッセント光全体
の強度（ｄｃ成分）を検出できるようになっている。そ
して、ＡＣ成分、ｄｃ成分のそれぞれの信号も画像解析
装置１２９に入力され、試料１１６表面の屈折率の分布
像を構成することになる。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
走査型プローブ顕微鏡において、光てこ方式のＡＦＭを
用いて試料の凹凸を測定し、同時に試料の光学観察をす
るためには、ＡＦＭに用いるカンチレバーは光学変位検
出のための金属の反射面を特定領域に限定して作成する
必要があった。このため、上記金属を蒸着するときのマ
スクパターン作成や上記マスクの位置調整を行う必要が
あり、カンチレバー製造プロセスを煩雑にしていた。ま
た、カンチレバーの光学的変位検出を行うため通常、カ
ンチレバー上にレーザ光を照射している。このレーザ光
は、エバネッセント光の検出のバックグラウンドノイズ
の原因となっている。しかし、この問題に関する対策
は、取られていない。

【００１９】また、抵抗体、あるいは圧電体をカンチレ
バー上に形成し、カンチレバーの変位情報を取り出す方
式のＡＦＭでは、上記抵抗体あるいは上記圧電体が不透
明であり、光学観察を阻害していた。このため、カンチ
レバー側からの光学観察時には、光学視野内から上記カ
ンチレバーを上記光学視野外へ移動する必要があった。

【００２０】また、ＰＳＴＭとＡＦＭを一体化し、エバ
ネッセント光の散乱光強度を測定しようとする際には、
この散乱光の出射される方向は試料の法線方向が主であ
る。しかし、カンチレバーが不透明であるため、法線方
向の散乱光を散乱光検出手段に入射させることが出来な
いという欠点があった。

【００２１】そこで本発明は、上記課題に鑑みてなされ
たものであり、探針が試料をトレースして上記試料の凹
凸像と屈折率分布の測定を行うと同時に、カンチレバー
を光学視野外に移動することなく、上記試料の測定位置
の光学観察を行うことができる簡便な製法にて作成可能
な走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーを提供すること
を目的とする。

【００２２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡のカンチレ
バーは、上記カンチレバーの自由端部を透明とし、この
自由端部を通して試料観察を可能としたことを特徴とす
る。

【００２３】またさらに、請求項２に記載の走査型プロ
ーブ顕微鏡のカンチレバーは、上記自由端部に探針を有
することを特徴とする。またさらに、請求項３に記載の
走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーは、上記走査型プ
ローブ顕微鏡の変位検出方式が、上記カンチレバー上に
形成された抵抗体に接続された少なくとも２つの電極間
の電流値を検出する方式であることを特徴とする。

【００２４】

【作用】本発明の走査型プローブ顕微鏡のカンチレバー
においては、上記カンチレバーの自由端部を透明な素材
にする。そして、この透明な自由端部を通して試料観察
を行う。

【００２５】

【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。図１（ａ），（ｂ）は、本発明に係る
第１実施例のＰＳＴＭのカンチレバーの構成を示す図で
あり、図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）は上面図におけ
るＡ−Ａ′部の断面図である。

【００２６】同図において、このＰＳＴＭのカンチレバ
ーの自由端は、探針部１と、この探針部１の周辺の可視
光領域で視覚的に透明な部分（以下、透明部分と記す）
２と、レバー部３とから構成されている。このとき、上
記探針部１の周辺の透明部分２は、窒化シリコン（Ｓｉ
Ｎ）から成っており、上記レバー部３はＵ字型パターン
のシリコン薄膜６及びピエゾ抵抗層１２から成ってい
る。

【００２７】このレバー部３上に形成されたピエゾ抵抗
層１２のＵ字型パターンの開口側両端は、ガラス基板４
に固着され、電極５ａ及び電極５ｂに電気的に接続され
ている。

【００２８】以上のように構成されたＰＳＴＭのカンチ
レバーは、外部よりこのＰＳＴＭのカンチレバーに働く
力によるピエゾ抵抗層１２のストレスに起因して、上記
電極５ａと電極５ｂの間の抵抗値の変動に伴い、ピエゾ
抵抗層１２を流れる電流値が変動する。

【００２９】このように、試料と探針部１の間に働く力
は電流値の変動として検出される。一方、光学観察は、
透明部分２を通して行われる。次に、上記第１実施例の
ＰＳＴＭのカンチレバーの製造プロセスについて説明す
る。

【００３０】図２，図３は、上記第１実施例のＰＳＴＭ
のカンチレバーの製造プロセスを示す図である。なお、
図中の断面図は、図３［５］に示すＢ−Ｂ′の部分を投
影したものとなっている。

【００３１】図２［１］に示す図は、このカンチレバー
の元となるシリコン薄膜６と、探針成形の鋳型に用いる
シリコンウェハ７を張り合わせたものである。まず、図
２［２］に示すように、フォトリソグラフィとドライエ
ッチングを行い、シリコン薄膜６上にシリコン酸化膜１
３を形成すると共に、シリコン薄膜６にカンチレバーの
探針部１の周辺の透明部分２に相当する光学観察用の窓
部８を形成する。さらに、シリコン薄膜６の極表面にイ
オンインプランテーションにより、ボロン（Ｂ）を打ち
込むことでピエゾ抵抗層１２を形成する。

【００３２】次に、同様にフォトリソグラフィとドライ
エッチングにより、図２［３］に示すように、鋳型のシ
リコンウェハ７に探針部１に相当するくぼみ９を作る。
次に、図２［４］に示すように、シリコン薄膜６との接
合を考慮し適当な形状で上記窓部８に所定の厚み、例え
ば、８００ｎｍの窒化シリコン（ＳｉＮ）の薄膜の上記
透明部分２、及び探針部１を形成する。

【００３３】次に、Ｕ字型のカンチレバーの元となるよ
うに、マスクパターンを形成した上で、図３［５］に示
すようにシリコン薄膜６のエッチング部分１０をドライ
エッチングによりパターニングする。さらに、カンチレ
バーを支持するためのガラス基板４を、図３［６］に示
すように、陽極接合によりカンチレバー上面に接合す
る。

【００３４】次に、カンチレバーを酸化膜でおおった状
態で、鋳型となるシリコンウェハ７を、ＫＯＨ水溶液や
ＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウム）、またはＥＤＰ
（ＥＰＷ）などを用いて、図３［７］に示すように溶解
する。さらに保護用のシリコン酸化膜１１を除去し、ピ
エゾ抵抗層１２と接するように、上記ガラス基板４上に
電極５ａ，５ｂを形成する。

【００３５】以上のプロセスにより、透明部分２を有す
るＵ字型で、電流値検出型のセンサが一体化した本第１
実施例のカンチレバーを作成することができる。なお、
上述したように本第１実施例では、カンチレバーのレバ
ー部３をＵ字型にしているが、これはＵ字型に限るわけ
ではない。例えば、一文字型にして透明部分２との間で
導通を取ってもいいし、カンチレバー自身をＥ字型にし
て抵抗値の検出精度を上げる工夫をしても良い。

【００３６】いずれにしても、上述の製造プロセスによ
り、探針部１の周辺を透明にすることにより、試料面の
光学観察を行うことができる。以上説明したように、本
第１実施例によれば、これらカンチレバーの変位検出
は、カンチレバーの変位にともなうピエゾ抵抗層１２の
抵抗値の変位に基づいて、カンチレバー上を流れる電流
の電流値の変化量を検出することによって行われる。し
たがって、エバネッセント光の検出時において、カンチ
レバーの変位を光学的に検出しないため、バックグラウ
ンドノイズ源となる光の混入が避けられる。

【００３７】次に、本発明に係る第２実施例のカンチレ
バーについて説明する。図４は、第２実施例のカンチレ
バーの構成を示す図である。図４（ａ），（ｂ）は、第
２実施例のＰＳＴＭのカンチレバーの構成を示す図であ
り、図４（ａ）は上面図、図４（ｂ）は上面図における
Ｃ−Ｃ′部の断面図である。

【００３８】同図において、このＰＳＴＭのカンチレバ
ーの自由端は、探針部２１と、この探針部２１の周辺の
可視光領域で視覚的に透明な部分（以下、透明部分と記
す）２２と、レバー部２３とから構成されている。この
カンチレバーの下面部分は、窒化シリコン（ＳｉＮ）か
ら成っており、上記カンチレバーの上面部分には、上記
透明部分２２を３０μｍだけ残して、金属薄膜２４が形
成されている。さらに、上記レバー部２３は、ガラス基
板２５に固定されている。

【００３９】そして、金属薄膜２４は光学的変位検出の
ための反射面として用いられ、このカンチレバーに働く
力によって変位を検出する。これは、例えば図５に示す
光てこ方式、あるいは図６に示す臨界角検出方式の変位
検出方式に適用できる。図５に示す光てこ方式では、２
分割フォトダイオード３１ａ，３１ｂの出力差であるα
−βが、このカンチレバー３２の変位量に比例する信号
になる。一方、図６に示す臨界角方式では、２つの２分
割フォトダイオード３３ａ，３３ｂと３４ａ，３４ｂの
出力信号の演算結果であるＡ−Ｂ−Ｃ＋Ｄがカンチレバ
ー３５の変位量に比例する信号になる。ここで、図５に
示した光てこ方式において、光学顕微鏡の視野は、５０
倍の対物レンズ３６を用いた場合、１００μｍ角程度で
ある。したがって、探針部２１がこのカンチレバー３２
の透明部分２２内にあれば、焦点位置を反射面の金属薄
膜２４の変位検出部位に合わせていても、上記カンチレ
バー３２を移動させることなく、光学顕微鏡にて探針部
２１の当たっている場所を観察することが可能である。
なお、これは、図６に示した臨界角方式においても、同
様にカンチレバー３５を移動させることなく、光学顕微
鏡にて探針部２１が当たっている場所を観察することが
可能である。

【００４０】次に、上記第２実施例のＰＳＴＭのカンチ
レバーの製造プロセスについて説明する。図７は、第２
実施例のＰＳＴＭのカンチレバーの製造プロセスを示す
図である。なお、図中の断面図は、図７［１］に示すＤ
−Ｄ′の部分を投影したものとなっている。

【００４１】図７［１］に示す図は、カンチレバー先端
の探針を形成するための鋳型となるシリコン基板４１で
あり、フォトリソグラフィとドライエッチングにより、
探針用の穴が形成されている。レジスト膜４２，４３を
除去した後、図７［１］に示すシリコン基板４１を既定
のパターンでマスクし、窒化シリコン膜４４を蒸着など
の手段を用いて、図７［２］に示すように形成する。

【００４２】次に、図７［３］に示すように、フォトリ
ソグラフィにより、カンチレバーの透明部分２２とガラ
ス基板２５と陽極接合を行う部分を、レジスト膜４５で
おおう。この時点で、熱処理、あるいは薬品処理により
レジスト膜４５を膨潤させて、膜の端の部分をオーバー
ハングさせるプロセスを用いる場合もある。

【００４３】次に、上述した光学的変位検出手段に対応
する反射膜４６の金属膜などを、図７［４］に示すよう
に全面に形成する。なお、ここで用いる反射膜４６は、
アルミニウムや、金の金属薄膜や、誘電体多層膜など、
検出に用いられる光の波長に対して反射するものであれ
ば良い。このあと、レジスト膜４５を除去することによ
り、反射膜４６はカンチレバー上の必要な部分にのみ残
ることになる。

【００４４】次に、カンチレバーを支持するためのガラ
ス基板４７を、図７［５］に示すように位置合せをして
陽極接合を行う。このときの温度は、反射膜４６の膜質
を低下させない程度の温度に抑えておく必要がある。さ
らに、図７［６］に示すように、鋳型であるシリコンウ
ェハ４１を図２に示した同様な方法で溶かす。

【００４５】以上により、走査型プローブ顕微鏡用の反
射膜４６を部分的に形成したカンチレバーを作成するこ
とができる。以上説明したように、本第２実施例によれ
ば、シリコン半導体型のカンチレバー製造プロセスのみ
で、反射面の金属薄膜を形成するプロセスを追加するこ
となく、ＰＳＴＭと光学変位検出を用いたＡＦＭを同時
に動作させることが可能なカンチレバーを作成すること
ができる。

【００４６】図８（ａ），（ｂ）は、本発明に係る第３
実施例のＰＳＴＭのカンチレバーの構成を示す図であ
り、図８（ａ）は上面図、図８（ｂ）は上面図における
Ｅ−Ｅ′部の断面図である。

【００４７】同図において、このＰＳＴＭのカンチレバ
ーの自由端は、探針部５１と、この探針部５１の周辺の
可視光領域で視覚的に透明な部分（以下、透明部分と記
す）５２と、シリコン薄膜６１とピエゾ抵抗層５７から
成るレバー部５３とで構成されている。なお、上記透明
部分５２とレバー部５３とが、接合部材５４によって、
離され固定されている。よって、上記透明部分５２は、
光学的に独立しており、また、上記接合部材５４は透明
部分５２の素材とは屈折率の異なる素材を用いている。
レバー部５３のＵ字型パターン開口両端は、ガラス基板
５５に固着されており、このガラス基板５５上には、レ
バー部５３上に形成されたピエゾ抵抗層５７のＵ字型パ
ターン開口両端と電気的に接続さている電極５６ａ，５
６ｂが形成されている。

【００４８】このとき、上記探針部５１の周辺の透明部
分５２は、窒化シリコン（ＳｉＮ）から成っており、上
記レバー部５３はＵ字パターンのシリコン薄膜６１及び
ピエゾ抵抗層５７から成っている。

【００４９】以上のように、レバー部５３と透明部分５
２を独立させているのは、変位検出用の信号のノイズに
なることを避けるためである。すなわち、これは、上記
第１実施例では、透明部分５２が光導波路として機能し
て抵抗体としてのレバー部５３に対し、観察用の照明光
の特定波長の光が導入され、光電効果により抵抗体とし
てのレバー部３の抵抗値に影響を与えることがないよう
にするためである。

【００５０】次に、上記第３実施例とは形状は異なる
が、同様の機能を持つＰＳＴＭのカンチレバーの製造プ
ロセスについて説明する。図９，図１０は、上記ＰＳＴ
Ｍのカンチレバーの製造プロセスを示す図である。

【００５１】図９［１］に示す図は、このカンチレバー
の元となるシリコン薄膜６１と、探針成形の鋳型に用い
るシリコンウェハ６２を張り合わせたものである。ま
ず、図９［２］に示すように、フォトリソグラフィとド
ライエッチングを行い、シリコン薄膜６１上にシリコン
酸化膜６５を形成すると共に、シリコン薄膜６１にカン
チレバーの探針部５１の周辺の透明部分５２、すなわ
ち、観察用の窓部を作成するためのくぼみ６３を作る。
さらに、シリコン薄膜６１の極表面にイオンインプラン
テーションにより、ボロン（Ｂ）を打ち込むことでピエ
ゾ抵抗層５７を形成する。

【００５２】次に、同様の手法で図９［３］に示すよう
に、鋳型のシリコンウェハ６２に探針部５１を作成する
ためのくぼみ６４を作る。次に、図９［４］に示す工程
では、観察用の窓部に相当する透明部分５２の窒化シリ
コン膜が、抵抗体としてのレバー部５３のシリコン薄膜
６１と接しないように、マスクパターンを決めて上記窒
化シリコン膜を形成させる。

【００５３】次に、透明部分５２と抵抗体としてのレバ
ー部５３との間に構造的なつなぎ部分としての接合部材
５４を、図９［５］に示すように、形成する。なお、こ
の接合部材５４は、透明部分５２の窒化シリコン膜よ
り、窒素の含有率が低く屈折率の高い窒化シリコン膜と
する。次に、図１０［６］に示すように、シリコン薄膜
６１を抵抗体センサとして機能させるために、フォトリ
ソグラフィ及びドライエッチングによって、Ｕ字型のパ
ターンに形成する。なお、本プロセス以降の断面図は、
図１０［６］に示した上面図におけるＦ−Ｆ′部のもの
である。

【００５４】次に、図１０［７］に示すように、このカ
ンチレバーの支持部としてガラス基板５５を陽極接合す
る。図１０［８］に示す工程では、上述した第１，２実
施例と同様に、鋳型となるシリコンウェハ６２を溶か
し、さらに、電極５６ａ，５６ｂを上記ガラス基板５５
上に形成する。以上により、本第３実施例のカンチレバ
ーを作成することができる。

【００５５】以上説明したように、本第３実施例によれ
ば、抵抗体としてのレバー部５３と観察窓としての透明
部分５２との間の光の相互干渉を避けることができる。
これにより、カンチレバーからの変位信号が、探針部５
１付近から入射した光によって、シリコン系の素材で構
成された抵抗体を有するレバー部５３から光電効果によ
って発生するノイズに影響されることないため、カンチ
レバー位置の高精度な変位検出が可能となる。

【００５６】次に、上記第１実施例のカンチレバーを適
用した走査型プローブ顕微鏡について説明する。図１１
は、第１実施例のカンチレバーを適用した走査型プロー
ブ顕微鏡の概略的な構成を示す図である。

【００５７】第１実施例に示したカンチレバー７０を用
い、抵抗体を有するレバー部３をカンチレバー７０の変
位に基づく電流値の変動を検出する。同図において、交
流電源７１が、周波数ωの電流を電極５ａに流し、その
とき、電極５ｂに接続されている電流／電圧変換器７２
によって、レバー部３上に形成されたピエゾ抵抗層１２
に流れる電流を検出する。検出された電流は、振幅検出
器７３によって周波数ωに関する振幅信号に変換され
る。この振幅信号の電流値は、カンチレバー７０上の抵
抗値に基づく信号になっている。なお、交流電源７１及
び電流／電圧変換器７２は、同図に示すように接地され
ている。

【００５８】この抵抗値に基づく信号である上記電流値
が、一定の値になるようにするために、試料７４の位置
を制御するサーボ回路７５によるサーボ信号を、アクチ
ュエータ７６にｚ信号として印加する。このように、カ
ンチレバー７０の変位量を一定に保ちながら、走査回路
７７から発生する走査信号を用いて試料７４をｘｙ方向
に走査する。

【００５９】そして、上記走査信号と上記サーボ信号を
画像処理装置７８に取り込み、画像化を行うことによ
り、試料７４の凹凸を測定することができる。ここで、
上述したように探針近辺が透明な素材で構成されている
ため、対物レンズ７９と図示していない接眼光学系を用
いて、探針部１による測定位置を光学顕微鏡によって観
察できる。

【００６０】以上のように、第１実施例のカンチレバー
を適用した走査型プローブ顕微鏡は、ＡＦＭの動作を行
いながらカンチレバーの位置を動かすことなく、探針測
定位置を光学観察することが可能である。

【００６１】図１２は、上記第１実施例のカンチレバー
を適用した走査型プローブ顕微鏡の構成を示す図であ
る。この走査型プローブ顕微鏡は、上記試料７４の表面
近傍に、エバネッセント光を発生させるための手段とし
て、特定波長の励起光源８１（レーザ光源など）、投光
レンズ８２、レンズミラー８３、プリズム８４から成る
励起光学系と、試料７４の表面近傍に発生した上記エバ
ネッセント光に探針部１が接することによって、発生し
た散乱光の強度を検出するための対物レンズ８５、ハー
フミラー８６、集光レンズ８７、シャッタ８８、光量検
出器８９から成る光量検出光学系と、上記探針部５の位
置と試料７４の位置の相対的関係を一定に保つための位
置制御を行うために、抵抗体を有するレバー部３の変位
に基づく電流値の変動の検出を行う変位検出器９０及び
サーボ回路９１及び３次元アクチュエータ９２とから構
成される。なお、光量検出時には、上記シャッタ８８は
光軸から外される。

【００６２】さらに、この走査型プローブ顕微鏡は、上
記光量検出器８９によって検出された光強度検出信号、
及びサーボ回路９１の出力信号と、試料７４をＸＹ方向
に走査するための走査回路９３から出力される信号に基
づいて、上記試料７４の表面の凹凸と屈折率分布を画像
解析する画像処理装置９４とから構成される。

【００６３】以上のような構成の走査型プローブ顕微鏡
は、屈折率分布を測定するために、探針部１がエバネッ
セント光を散乱して伝搬光に変換する。この伝搬光は、
観察光学系に用いられる対物レンズ８５、検出用のハー
フミラー８６、及び集光レンズ８７を介して、光量検出
器８９に集光される。

【００６４】一方、測定位置合せのための試料観察に際
しては、照明用光源９５から出た照明光をコリメータレ
ンズ９６を通して平行光とし、ハーフミラー９７によっ
て落射照明に用いるとともに、試料７４からの反射光を
接眼レンズ９８を用いて観察位置９９に結像させる。

【００６５】また、測定時の光量検出効率を向上させる
ために、光量検出系の感度は高く設定されている。受光
量は、測定時と光学観察時で大きく異なるため、受光面
の保護のために光学観察時には、光量検出器８９の前に
設けられた遮光用のシャッタ８８を出し入れできるよう
にしている。また、光学観察のためにハーフミラーにな
っている上記ハーフミラー８６をハーフミラーと全反射
ミラーの入れ替え可能な方式とし、このハーフミラーと
全反射ミラーの入れ替えを行っても良い。また、上記ハ
ーフミラー８６を全反射ミラーとして、この全反射ミラ
ーを光路に出し入れすることにより、光量検出時の入射
効率を向上させても良い。この入れ替え、出し入れ動作
は、シャッタ８８の出し入れ動作と同期させても良い。

【００６６】以上のように構成された走査型プローブ顕
微鏡では、観察光学系の一部である対物レンズを流用し
て、光量検出系の効率を上げる効果がある。図１３は、
上記第１実施例のカンチレバーを適用した他の走査型プ
ローブ顕微鏡の構成を示す図である。

【００６７】この走査型プローブ顕微鏡は、図１２に示
した走査型プローブ顕微鏡にカンチレバー７０を所定の
振動周波数ｆで振動させる励振用のアクチュエータ１０
１と、励振器１０２と、変位信号に現れる振動の周波数
ｆの振幅検出回路１０３と、さらに光量検出系にロック
インアンプ１０４とを追加した構成としたものである。
その他の構成については、図１２に示した走査型プロー
ブ顕微鏡と同一であるため、ここに編入するものとしそ
の説明は省略する。

【００６８】すなわち、図１２に示した走査型プローブ
顕微鏡に、カンチレバー７０の振動により、変化する光
量変化を精密に検出するための構成を追加したものであ
る。以上のような構成により、ＡＦＭの動作をＡＣモー
ドで行うようになっている。なお、上記振幅検出回路１
０３には、これに替えてロックインアンプを用いてもか
まわない。また、上記ロックインアンプ１０４の参照信
号として、上記変位検出器９０からの出力信号を用いて
もかまわない。

【００６９】以上説明したように、この走査型プローブ
顕微鏡においては、探針部周辺を透明な素材で構成する
ことにより、ＡＣモードのＡＦＭの動作において、カン
チレバーを移動させることなく、測定用探針位置の光学
顕微鏡での観察が可能となる。また、ＰＳＴＭをＡＦＭ
と同時に動作させる場合にも、光量検出効率の向上のた
めに観察光学系の対物レンズを用いて散乱光を直接検出
することが可能になる。

【００７０】なお、本発明の上記実施態様によれば、以
下のごとき構成が得られる。 （１） 走査型プローブ顕微鏡に用いられるカンチレバ
ーにおいて、上記カンチレバーの自由端部を透明とし、
この自由端部を通して試料観察を可能としたことを特徴
とする走査型プローブ顕微鏡のカンチレバー。 （２） 上記自由端部に探針を有することを特徴とする
上記（１）に記載の走査型プローブ顕微鏡のカンチレバ
ー。 （３） 上記走査型プローブ顕微鏡の変位検出方式が、
上記カンチレバー上に形成された抵抗体に接続された少
なくとも２つの電極間の電流値を検出する方式であるこ
とを特徴とする上記（１）に記載の走査型プローブ顕微
鏡のカンチレバー。 （４） 上記走査型プローブ顕微鏡の変位検出方式が、
上記カンチレバー上に形成された圧電体に接続された少
なくとも２つの電極間の電位差を検出する方式であるこ
とを特徴とする上記（１）に記載の走査型プローブ顕微
鏡のカンチレバー。 （５） 上記走査型プローブ顕微鏡の変位検出方式が光
学変位検出方式であることを特徴とする上記（１）に記
載の走査型プローブ顕微鏡のカンチレバー。 （６） 上記自由端部の透明な部分と光学的に分離され
た抵抗体を変位検出用抵抗体としている上記（３）に記
載の走査型プローブ顕微鏡のカンチレバー。 （７）上記（２）に記載のカンチレバーと、上記探針に
正対する位置に所定の測定試料をセット可能であって該
測定試料の表面を光学観察するためのオン／オフ可能な
照明手段及び観察光学手段と、上記探針と上記測定試料
との間の相互作用により変化する上記カンチレバーの変
位を検出する変位検出手段と、この変位検出手段にて検
出された変位信号に基づいて、上記探針と上記測定試料
との間の距離を一定に維持させるサーボ手段と、上記探
針を上記測定試料に対して相対的に平面走査させる走査
手段と、上記サーボ手段及び走査手段に印加される信号
に基づいて、上記測定試料の表面の凹凸を画像解析する
画像解析手段と、を具備したことを特徴とする走査型プ
ローブ顕微鏡。 （８） 上記測定試料の表面近傍にエバネッセント光を
発生させるエバネッセント光発生手段と、上記測定試料
の表面近傍に発生した上記エバネッセント光に上記探針
が接することによって発生した散乱光の強度を検出する
光量検出手段と、この光量検出手段によって検出された
光強度検出信号と上記走査手段に印加される信号に基づ
いて、上記測定試料の表面の屈折率分布を画像解析する
画像解析手段と、を具備したことを特徴とする上記
（７）に記載の走査型プローブ顕微鏡。 （９） 上記カンチレバーを所定の振動周波数で振動さ
せる振動手段と、上記探針と上記測定試料との間の相互
作用により変化するカンチレバーの振動状態の変化を検
出する振動検出手段と、を具備し、上記サーボ手段は、
上記振動検出手段によって検出された検出信号に基づい
て、上記カンチレバーの振動中心と上記測定試料との間
の距離を一定に維持させることを特徴とする上記（７）
に記載の走査型プローブ顕微鏡。 （１０） 上記振動状態の変化を検出する上記振動検出
手段は、上記カンチレバーの変位信号の振動振幅を検出
する実効値検出回路から成る上記（９）に記載の走査型
プローブ顕微鏡。 （１１） 上記振動状態の変化を検出する上記振動検出
手段は、上記カンチレバーの変位信号と上記振動手段の
所定の振動周波数の信号をもとに振動振幅を検出するロ
ックイン検出回路から成る上記（９）に記載の走査型プ
ローブ顕微鏡。 （１２） 上記振動状態の変化を検出する上記振動検出
手段は、上記カンチレバーの変位信号と上記振動手段の
所定の振動周波数の信号をもとに信号の位相差を検出す
る位相検出回路から成る上記（９）に記載の走査型プロ
ーブ顕微鏡。

【００７１】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、探針
が試料をトレースして上記試料の凹凸像と屈折率分布の
測定を行うと同時に、カンチレバーを移動することな
く、上記試料の光学観察を行うことができる簡便な製法
にて作成可能な走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーを
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例のＰＳＴＭのカンチレバーの構成を
示す図である。

【図２】第１実施例のＰＳＴＭのカンチレバーの製造プ
ロセスを示す図である。

【図３】第１実施例のＰＳＴＭのカンチレバーの製造プ
ロセスを示す図である。

【図４】第２実施例のＰＳＴＭのカンチレバーの構成を
示す図である。

【図５】走査型プローブ顕微鏡における光てこ方式の構
成を示す図である。

【図６】走査型プローブ顕微鏡における臨界角検出方式
の構成を示す図である。

【図７】第２実施例のＰＳＴＭのカンチレバーの製造プ
ロセスを示す図である。

【図８】第３実施例のＰＳＴＭのカンチレバーの構成を
示す図である。

【図９】第３実施例と同等の機能を持つＰＳＴＭのカン
チレバーの製造プロセスを示す図である。

【図１０】第３実施例と同等の機能を持つＰＳＴＭのカ
ンチレバーの製造プロセスを示す図である。

【図１１】第１実施例のカンチレバーを適用した走査型
プローブ顕微鏡の概略的な構成を示す図である。

【図１２】第１実施例のカンチレバーを適用した走査型
プローブ顕微鏡の構成を示す図である。

【図１３】第１実施例のカンチレバーを適用した他の走
査型プローブ顕微鏡の構成を示す図である。

【図１４】従来例として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】

１…探針部、２…透明部分、３…レバー部、４…ガラス
基板、５ａ，５ｂ…電極、６…シリコン薄膜、７…シリ
コンウェハ、８…くぼみ、９…くぼみ、１０…エッチン
グ部分、１１…シリコン酸化膜、１２…ピエゾ抵抗層、
１３…シリコン酸化膜、２１…探針部、２２…透明部
分、２３…レバー部、２４…金属薄膜、２５…ガラス基
板、３１ａ，３１ｂ…２分割フォトダイオード、３２…
カンチレバー、３３ａ，３３ｂ…２分割フォトダイオー
ド、３４ａ，３４ｂ…２分割フォトダイオード、３５…
カンチレバー、３６…対物レンズ、４１…シリコンウェ
ハ、４２，４３…レジスト膜、４４…窒化シリコン膜、
４５…レジスト膜、４６…反射膜、４７…ガラス基板。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 走査型プローブ顕微鏡に用いられるカン
   チレバーにおいて、上記カンチレバーの自由端部を透明
   とし、この自由端部を通して試料観察を可能としたこと
   を特徴とする走査型プローブ顕微鏡のカンチレバー。
2. 【請求項２】 上記自由端部に探針を有することを特徴
   とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡のカンチ
   レバー。
3. 【請求項３】 上記走査型プローブ顕微鏡の変位検出方
   式が、上記カンチレバー上に形成された抵抗体に接続さ
   れた少なくとも２つの電極間の電流値を検出する方式で
   あることを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ
   顕微鏡のカンチレバー。