JPH08220114A - 走査型力顕微鏡の変位検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光てこ方式の走査型力顕微鏡において、簡単
な構造で、高い倍率の対物レンズを用いて試料表面とカ
ンチレバーを同時に観察できるようにする。 【構成】 試料32に対向する探針18を先部に備えたカン
チレバー12と、このカンチレバーにレーザ光15を照射す
るレーザ光源13と、カンチレバーで反射されたレーザ光
を受光する光検出器14と、試料の表面とカンチレバーの
背面を観察し得る光学顕微鏡31を備え、レーザ光源と光
検出器を、カンチレバーのたわみ動作方向を含む平面以
外の箇所に配置するように構成される。好ましくは、カ
ンチレバーのたわみ動作方向を含む平面に直交する平面
内に配置される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は走査型力顕微鏡の変位検
出装置に関し、特に、光てこ方式変位検出光学系でカン
チレバーの変位を検出するようにした走査型力顕微鏡の
変位検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】プローブ（探針）顕微鏡は、先端が尖っ
た探針を試料に対してナノメータ(nm)のオーダで接近さ
せ、そのとき探針と試料との間に生じる物理的な力（例
えば原子間力等）を測定することにより、試料表面の形
状等を原子的な寸法レベルで計測することができる装置
である。プローブ顕微鏡の中には走査型力顕微鏡が含ま
れ、その代表的なものは走査型原子間力顕微鏡（以下
「ＡＦＭ」という）である。ＡＦＭは、カンチレバーと
呼ばれる非常にバネ定数の低いレバーを備え、カンチレ
バーの先端に設けられた探針と試料の表面の間に作用す
る原子力によるカンチレバーのたわみ量を検出すること
により、試料表面の形状を測定する装置である。また走
査型の装置は探針を試料表面に沿って走査させる機能を
有する。

【０００３】カンチレバーのたわみ量を測定する手段と
して、一般的に光てこ方式と呼ばれる検出光学系が使用
される。従来の光てこ方式検出光学系の構成例を図５に
示す。保持部１１の先部に取り付けられたカンチレバー
１２の上方位置に、カンチレバー１２の長手方向に沿っ
てレーザ光源１３と光検出器１４（例えば２分割フォト
ダイオード等）が配置される。レーザ光源１３と光検出
器１４は、レーザ光源１３から出たレーザ光１５はカン
チレバー１２の背面で反射し、光検出器１４に入射する
ような配置構成を有する。光検出器１４は２つの受光領
域１４ａ，１４ｂを有し、カンチレバー１２が基準位置
にあるとき、反射光は２つの受光領域１４ａ，１４ｂの
境界に照射されるように設定される。カンチレバー１２
が原子間力の作用を受けて、例えば破線１６で示される
ように変形し、たわみ量が生じると、反射光は破線１７
で示すように、光検出器１４の受光領域１４ａの側に移
動する。そのため、２つの受光領域１４ａ，１４ｂは受
光した光の強度に応じた電圧信号を出力する。２つの受
光領域１４ａ，１４ｂの出力信号の間には差が生じてい
るので、その出力差を求めることにより、カンチレバー
１２のたわみ量を知ることができる。

【０００４】光てこ方式の検出光学系による検出感度Ｓ
は、光検出器１４上での検出光の変位量をＤ、カンチレ
バー１２の長さをＫ（通常１００〜２００μｍ）、反射
光の光路の長さ（カンチレバー１２から光検出器１４ま
での距離）をＬ、カンチレバー１２の先端（探針）の変
位量をΔとするとき、次式で与えられる。

【０００５】

【数１】Ｓ＝Ｄ／Δ＝２Ｌ／Ｋ

【０００６】ここで例えばＬ＝５０ｍｍ、Ｋ＝１００μ
ｍとすると、Ｓ＝１０³ となる。このように、光てこ方
式の検出光学系を使用すれば、簡単な構成で非常に感度
の高い変位検出を行うことができる。

【０００７】ところで、ＡＦＭの測定範囲は最大でも数
十μｍ程度であり、極めて小さい範囲であるので、試料
表面において観察位置を同定することが難しいという問
題がある。そこで、従来、相対的に観察範囲が広い光学
顕微鏡等の観察手段を組み合わせ、観察位置を同定する
ように構成したＡＭＦが存在する。この構成では、光学
顕微鏡のレボルバ機構に対物レンズとＡＦＭの機構とを
設け、最初に光学顕微鏡の対物レンズを用いて目的の観
察領域を光学顕微鏡の視野中心に合わせ、その後、レボ
ルバを回転して対物レンズとＡＦＭの機構とを切り替
え、光学顕微鏡で設定した上記視野中心にＡＦＭの探針
を配置する。しかしながら、この構成によれば、レボル
バにおける機械的な誤差によって切り替え精度が１μｍ
程度で限界になり、そのため探針を観察領域に正確に配
置できるとは限らないという不具合がある。

【０００８】以上のことから、ＡＦＭと光学顕微鏡を組
み合わせる構成の場合、機械的な切り替え動作が介入し
ない構成が望ましい。例えば、試料の観察表面と、これ
に臨むＡＦＭのカンチレバーおよび探針とを、光学顕微
鏡によって同時に観察できるように構成されることが望
まれる。このような構成では、対物レンズを試料の表面
に対向させた状態で、対物レンズと試料の間にカンチレ
バーを配置することが必要となる。しかし、実際の問題
として、観察合焦時に対物レンズのレンズ面と試料面ま
での距離（以下「作動距離」という）は数ｍｍ〜数十ｍ
ｍ程度であり、この作動距離は対物レンズの倍率が高い
ほど小さくなるので、対物レンズと試料との間にカンチ
レバーを配置することは実際には難しい。

【０００９】上記の問題を解決する従来技術として特開
平５−１０７０５０号公報に開示されるものがある。こ
の変位検出装置では、光ビームを偏向させてカンチレバ
ーの背面に照射されるように導き、カンチレバー背面か
らの反射光を再び光検出器に導くための偏向部材を、対
物レンズと試料との間に配置し、かつ光学的に透明な部
材で作られる開口部を形成することにより、光学顕微鏡
による試料の観察を行えるようにしている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来技術によれ
ば、対物レンズと試料との間に偏向部材を設けるように
したため、倍率がより高い対物レンズを使用したい場
合、すなわち作動距離がより小さい対物レンズを使用し
た場合に、偏向部材が障害となって、これを使用するこ
とができないことが推察される。

【００１１】また他の解決策として、カンチレバーの背
面に照射される光ビームの入射角度を浅くすることによ
って、偏向部材の配置位置を対物レンズに干渉しない位
置とする可能性も考えられるが、以下に述べるように、
光ビームの入射角度を浅くすることに限界があるので、
実際には困難である。

【００１２】図６に示すように、カンチレバー１２は原
子間力という極微小な力を検出するものであるので、通
常、長さ（Ｋ）は１００〜２００μｍ程度、厚さ（Ｔ
１）は１μｍ程度の微細な形状を有するものが使用され
る。このような微細な形状は、シリコン等を用いて半導
体の製造プロセスを利用して作製される。カンチレバー
１２は保持部１１に固定される。図６で明らかなよう
に、微細なカンチレバー１２に対して保持部１１は数百
μｍの厚さ（Ｔ２）を必要とし、このため、光ビームの
入射角度を浅くすることには限界がある。なおカンチレ
バー１２のバネ定数は、０．１Ｎ／ｍ程度であり、先端
の探針１８に１ｎＮの力を受けると、カンチレバー１２
の先端部で１０ｎｍ程度のたわみ変形が生じる。光てこ
方式でたわみ変形量の検出を行うと、光検出器上では１
０³ 倍、すなわち１０μｍ程度の光ビーム変位が得られ
る。

【００１３】本発明の目的は、上記の問題を解決するも
ので、光てこ方式を使用し、簡単な構造で、高い倍率の
対物レンズを用いて試料表面とカンチレバーを同時に観
察できる走査型力顕微鏡の変位検出装置を提供すること
にある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】第１の本発明に係る走査
型力顕微鏡の変位検出装置は、試料に対向する探針を先
部に備えたカンチレバーと、このカンチレバーにレーザ
光を照射するレーザ光源と、カンチレバーで反射された
レーザ光を受光する光検出器と、試料の表面とカンチレ
バーの背面を観察し得る光学顕微鏡を備え、前記のレー
ザ光源と光検出器を、カンチレバーのたわみ動作方向を
含む平面以外の箇所に配置するように構成される。

【００１５】第２の本発明は、第１の発明において、レ
ーザ光源と光検出器を、たわみ動作方向を含む平面に直
交する平面内に配置したことを特徴とする。

【００１６】第３の本発明は、第１または第２の発明に
おいて、レーザ光源は光学顕微鏡の一方の側方に配置さ
れ、光検出器は光学顕微鏡の他方の側方に配置されるこ
とを特徴とする。

【００１７】第４の本発明は、第３の発明において、光
学顕微鏡の対物レンズの両側方に反射部材を配置し、こ
れらの反射部材によってレーザ光源から光検出器へのレ
ーザ光の光路を形成したことを特徴とする。

【００１８】

【作用】第１の本発明では、試料表面とこれに臨むカン
チレバーの背面とを観察し得る光学顕微鏡と組合せら
れ、かつカンチレバーのたわみ変形に伴う変位検出に光
てこ方式を用いたＡＦＭにおいて、カンチレバーの平面
にレーザ光を照射し反射光を検出しカンチレバーのたわ
み動作量を検出するためのレーザ光源と光検出器を、カ
ンチレバーのたわみ動作方向を含む平面以外の箇所に配
置することにより、検出用レーザ光を偏向するための偏
向部材を使用することなく、光学顕微鏡の対物レンズに
干渉されない入反射光路を確保でき、さらに、カンチレ
バーの保持部が入反射光路の障害になることもない。

【００１９】第２の本発明では、カンチレバーのたわみ
動作量を有効に検出するための最も適した入反射光路を
確保することができる。

【００２０】第３の本発明では、光学顕微鏡の周辺のス
ペースを有効に使って配置できるため、コンパクトに構
成することができる。

【００２１】第４の本発明では、反射部材を配置して光
路を形成することによって極めて小さいスペースにもレ
ーザ光の光路を形成することができる。

【００２２】

【実施例】以下に、本発明の実施例を添付図面に基づい
て説明する。

【００２３】図１と図２に基づいて本発明に係る走査型
力顕微鏡の変位検出装置の概略構成を説明する。本実施
例で、走査型力顕微鏡はＡＦＭであるとする。図１は正
面図、図２は平面図である。保持部１１の先部にカンチ
レバー１２の基端が固定される。カンチレバー１２の先
端には下方に向いた探針１８が設けられる。探針１８の
先端は試料の表面に対向している。測定時に、探針１８
の先端は試料表面に対して原子レベルの距離で接近した
状態にある。探針１８が試料の表面から原子間力の作用
を受けると、カンチレバー１２の先端部が移動し、カン
チレバー１２の全体でたわみ変形動作が生じ、保持部１
１に固定されたカンチレバー１２の基端を中心にカンチ
レバー１２の先端が図１および図２中上下方向に移動す
る。上記カンチレバー１２とレーザ光源１３および光検
出器１４からなる光てこ方式の検出光学系によって、カ
ンチレバー１２のたわみ変形動作に伴うたわみ動作量が
測定される。

【００２４】試料の表面とカンチレバー１２とを観察で
きるように、カンチレバー１２の上方位置に、光学顕微
鏡（図示せず）の対物レンズ２１が配置される。対物レ
ンズ２１はカンチレバー１２の背面を観察する。

【００２５】レーザ光源１３と光検出器１４は光学顕微
鏡の側方であって、好ましくは、カンチレバー１２のた
わみ動作方向を含む平面（図１の紙面に直交する面、図
２の紙面）に直交する面に含まれるように配置される。
カンチレバー１２のたわみ動作方向を含む平面とは、換
言すれば、カンチレバー１２の先端が描く軌跡を含む平
面のことを意味する。図１および図２に示されるよう
に、レーザ光源１３から出射されたレーザ光１５は、カ
ンチレバー１２の背面で反射され、その反射光が光検出
器１４に入射される。上記の配置構成によれば、レーザ
光によって形成される光路は、レーザ光源１３および光
検出器１４が含まれる平面の中に含まれるように形成さ
れる。なお、レーザ光源１３および光検出器１４が含ま
れる平面は、上記の直交平面には限定されず、カンチレ
バー１２のたわみ動作方向を含む平面以外の平面であれ
ば、レーザ光の光路に関する所定条件を満たす限り、任
意の平面を選択することも可能である。

【００２６】前述のカンチレバー１２、光学顕微鏡の対
物レンズ２１、レーザ光源１３と光検出器１４からなる
検出光学系の配置構成に基づけば、上記対物レンズ２１
によって試料の表面とカンチレバー１２を見ることによ
って容易に観察領域を同定することができると共に、こ
のような配置構成の下で、レーザ光源１３と光検出器１
４からなる検出光学系にとって、カンチレバー１３の保
持部１１および対物レンズ２１に対して干渉を生じない
レーザ光の光路を容易に確保することができる。また同
時に、レーザ光源１３と光検出器１４が、カンチレバー
１２のたわみ動作方向を含む平面に直交する平面に含ま
れていたとしても、カンチレバー１２においてたわみ変
形が生じた場合には、レーザ光１５の反射光の部分は、
レーザ光１５の光路が常に図１の紙面に含まれるので、
当該紙面で表わされる平面に含まれる例えば２分割フォ
トダイオードのごとき２つの受光領域１４ａ，１４ｂを
有する光検出器１４によって、カンチレバー１２のたわ
み変形動作量を正確に検出することができる。本実施例
の装置構成に基づく検出感度および検出精度に関して
は、図５を参照して説明した従来装置の構成の場合と実
質的に同じである。

【００２７】上記の実施例による配置構成によれば、レ
ーザ光源１３と光検出器１４は、図１に示すように正面
から見て、対物レンズ２１または光学顕微鏡そのものを
中心として左右対称に配置することができ、実際に変位
検出装置を構成する場合に設計、加工、組み立てを容易
に行うことができる。

【００２８】図３および図４は本発明に係る走査型力顕
微鏡の変位検出装置の具体的構成例を示す。光学顕微鏡
３１の対物レンズ２１の下方に試料３２を載置するため
の保持台３３を設ける。この保持台３３は３次元移動が
可能になるように圧電素子３４によって支持されてい
る。３５は保持台３３を取り付ける支持台であり、３６
は支持台３５を介して保持台３３を相対的に大きな距離
で移動させるための位置調整器である。試料３２の上側
であって、対物レンズ２１の下側にはカンチレバー支持
具３７が設けられる。カンチレバー支持具３７の先端部
には、前述のカンチレバー１２が保持部１１を介して固
定され、カンチレバー１２の先端に設けられた探針１２
は、試料３２の表面に臨んでいる。

【００２９】光学顕微鏡の３１の対物レンズ２１による
観察領域の中に上記の試料３２、カンチレバー１２およ
び探針１８が配置されている。従って、上記対物レンズ
２１および接眼レンズ３８を有する光学顕微鏡３１によ
って、試料３２の観察領域、この観察領域に位置するカ
ンチレバー１２および探針１８を同時に観察することが
できる。図３において、３９は基台、４０は光学顕微鏡
３１を支持する支柱である。

【００３０】また光学顕微鏡３１の対物レンズ２１の周
辺側方に取付け枠体４１が設けられる。この取付け枠体
４１には、上側にレーザ光源１３が取り付けられ、対物
レンズ２１の両側側方の位置に配置された片部４１ａの
内面に反射ミラーが取り付けられる。すなわち図４に明
らかに示されるように、正面から見て対物レンズ２１の
両側の左右対称な位置に、取付け枠体４１の片部４１ａ
によって反射ミラー４２が配置される。これらの反射ミ
ラー４２は、レーザ光１５による光路を形成するための
ものである。反射ミラー４２を設けてレーザ光に関する
光路を形成するようにしたため、前記実施例で説明した
レーザ光源１３や光検出器１４は、上方の広いスペース
に配置することができる。そして対物レンズ２１の周辺
における狭いスペースについては、これを有効に利用
し、装置構成をコンパクトに形成することができる。

【００３１】上記実施例ではＡＦＭについて説明した
が、光学顕微鏡が複合化されるその他の走査型力顕微鏡
に本発明を適用できるのは勿論である。

【００３２】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように本発明によ
れば、カンチレバーの変位検出に光てこ方式検出光学系
を使用するＡＦＭ等において、レーザ光源と光検出器
を、カンチレバーのたわみ変形動作方向を含む平面以外
の平面に含まれるように配置したため、検出光の入反射
光路を偏向させるための偏向部材を使用することなく、
対物レンズに干渉されない入反射光路を確保することが
でき、またカンチレバーの保持部が入反射光路の障害に
なることもない。特に、カンチレバーのたわみ変形動作
方向を含む平面に直交する平面にレーザ光源や光検出器
を配置する構成によれば、最も有効な測定を行うことが
でき、かつ最適でかつコンパクトな装置構成を実現する
ことができる。

【００３３】また作動距離の小さい高倍率の対物レンズ
を使用しても、原理的には、カンチレバーの保持部の厚
さ（数百μｍ程度）に比較して相対的に僅かに大きな作
動距離を確保すればよく、高倍率かつ高分解能な光学顕
微鏡とＡＦＭ等の複合化を達成することができる。

【００３４】また反射ミラーを利用して検出光の光路を
形成するようにした構成によれば、装置をコンパクトに
作製することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の係る変位検出装置の基本構成を説明す
るための正面図である。

【図２】本発明に係る変位検出装置の基本構成を説明す
るための側面図である。

【図３】本発明に係る変位検出装置の具体的実施例を示
す側面図である。

【図４】図３に示された実施例の要部の正面図である。

【図５】従来の変位検出装置の構成を説明するための要
部斜視図である。

【図６】従来装置の問題点を説明するための要部拡大側
面図である。

【符号の説明】

１１ 保持部 １２ カンチレバー １３ レーザ光源 １４ 光検出器 １５ レーザ光 １８ 探針 ２１ 対物レンズ ３１ 光顕微鏡 ３２ 試料 ３７ カンチレバー支持具 ４１ 取付け枠体 ４２ 反射ミラー

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料に対向する探針を先部に備えたカン
   チレバーと、このカンチレバーにレーザ光を照射するレ
   ーザ光源と、前記カンチレバーで反射された前記レーザ
   光を受光する光検出器と、前記試料の表面と前記カンチ
   レバーの背面を観察し得る光学顕微鏡を備える走査型力
   顕微鏡の変位検出装置において、 前記レーザ光源と前記光検出器を、前記カンチレバーの
   たわみ動作方向を含む平面以外の箇所に配置したことを
   特徴とする走査型力顕微鏡の変位検出装置。
2. 【請求項２】 前記レーザ光源と前記光検出器は、前記
   たわみ動作方向を含む平面に直交する平面内に配置され
   ることを特徴とする請求項１記載の走査型力顕微鏡の変
   位検出装置。
3. 【請求項３】 前記レーザ光源は前記光学顕微鏡の一方
   の側方に配置され、前記光検出器は前記光学顕微鏡の他
   方の側方に配置されることを特徴とする請求項１または
   ２記載の走査型力顕微鏡の変位検出装置。
4. 【請求項４】 前記光学顕微鏡の対物レンズの両側方に
   反射部材を配置し、前記反射部材によって前記レーザ光
   源から前記光検出器への前記レーザ光の光路を形成した
   ことを特徴とする請求項３記載の走査型力顕微鏡の走査
   型変位検出装置。