JPH08226928A

JPH08226928A - 光学顕微鏡付属型原子間力顕微鏡

Info

Publication number: JPH08226928A
Application number: JP7319946A
Authority: JP
Inventors: Shunji Watanabe; 俊二渡辺; Toru Fujii; 藤井　　透; Tetsuo Hattori; 徹夫服部
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1994-12-08
Filing date: 1995-12-08
Publication date: 1996-09-03

Abstract

(57)【要約】【目的】煩雑な操作を必要とせず、効率よく光学顕微
鏡による低中倍率の像の観察及び原子間力顕微鏡による
高倍率の像の観察する。【構成】原子間力顕微鏡において、原子間力の検出方
式を圧電薄膜やピエゾ抵抗にすること等で小型化した原
子間力顕微鏡プローブを光学顕微鏡の対物レンズと観察
試料の間の位置に、または、対物レンズと該プローブを
交換可能な構造にする事により、対物レンズの位置に配
置することによって、光学顕微鏡で原子間力顕微鏡の走
査位置を確認できる構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光学顕微鏡付属型原子
間力顕微鏡に関するものであり、特に光学顕微鏡の対物
レンズの位置に配置した小型原子間力顕微鏡に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】走査型顕微鏡のひとつである原子間力顕
微鏡（Ａtomic Ｆorce Ｍicroscope :ＡＦＭ）は、物質
間に働く力により表面の２次的な観察像を形成するもの
であり、電気伝導性のない材料表面や有機分子をナノメ
ートルスケールで観察できることから、広範な応用が期
待されている（山田、応用物理第59巻第２号 P191〜
192 ）。

【０００３】図２に、従来のＡＦＭの原理の概念図を示
す。ＡＦＭは、先端曲率半径の小さな針状チップと可撓
性プレートとからなるカンチレバーと、可撓性プレート
のたわみ（曲がり）を測定する変位検出系から構成され
る。カンチレバーの先端の針状チップをサンプルに近づ
ける（10ｎｍ程度）と、サンプル原子と針状チップとの
間には静電気、磁気及びファンデルワールス力などが働
いて可撓性プレートがたわむ。このたわみの変位量を変
位検出系により検出することによって測定が行われる。

【０００４】そして、サンプルを走査することによりサ
ンプル表面の力の２次元的情報が得られる。また、可撓
性プレートのたわみを一定にするように試料の位置を制
御しながらサンプルを走査することにより表面の微視的
形状を知ることができる。例えば、特開平３−218998に
は、シリコン基板およびこれと一体化した尖鋭なシリコ
ンチップとからなるカンチレバー、あるいは窒化珪素基
板と尖鋭なシリコンチップとからなるカンチレバーが記
載されている。

【０００５】また、特開平１−262403には、上記のカン
チレバーの他、シリコンからなるプレートが回転する構
造のカンチレバーが記載されている。これらのカンチレ
バーのサンプル原子から受ける力によって生ずる変位を
検出する変位検出系には、トンネル検出方式、光波干渉
方式、光てこ方式が用いられていた。

【０００６】いずれの方法においても、カンチレバーと
変位検出系との相対変位によって針状チップの動きを測
定するため、カンチレバーに対して変位検出系が固定さ
れないと変位の読み取り誤差が大きくなる。そのため、
従来、カンチレバー、変位検出系を固定し、試料を走査
していた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】いずれの方式のもの
も、光学的に変位検出をする方式のため、検出系がどう
しても大きくなる。通常、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）は
単体の装置であり、そのため例えば観察試料のある狭い
特定範囲を観察したい場合は、まずＡＦＭに比べて低倍
率の光学顕微鏡で広い範囲を観察し、走査範囲を決定
し、その正確な位置を測定、記録する。その後、ＡＦＭ
装置にセット、位置合わせし、走査、観察するという煩
雑な操作が必要だった。更に、観察試料が大型でアクチ
ュエータで走査できない場合、観察試料を破壊して小さ
な試料に加工しなければならなかった。このため、観察
したい特定範囲が、加工の際に傷ついたり変形したりし
て、観察不能になることはしばしば起こった。

【０００８】

【課題を解決するための手段】変位検出系とカンチレバ
ーを一体化し原子間力顕微鏡を小型化する試みがなされ
ており、その有効な方法として、圧電薄膜型変位センサ
ーを原子間力顕微鏡カンチレバー上に設けて一体化した
カンチレバー（特開平４−180786）やピエゾ抵抗型変位
センサーを原子間力顕微鏡カンチレバー上に設けて一体
化したカンチレバーが提案されている。

【０００９】本発明者らはこれらのカンチレバーを使用
した原子間力顕微鏡に着目し、光学顕微鏡と原子間力顕
微鏡を複合化し、これらの小型化した原子間力顕微鏡プ
ローブを光学顕微鏡の対物レンズと観察試料との間の位
置に、または、対物レンズと原子力顕微鏡プローブを交
換可能な構造にすることにより、対物レンズの位置にプ
ローブを配置でき、原子間力顕微鏡の走査箇所が該光学
顕微鏡で確認できる事を見い出し、本発明を成すに至っ
た。

【００１０】さらに、本発明は、圧電薄膜型変位センサ
ーやピエゾ抵抗型変位型のカンチレバーを使用した原子
間力顕微鏡にとどまらず、従来技術から知られていた光
テコ方式や光干渉による他の変位検出方式の原子間力顕
微鏡においても小型化し、配位に工夫をこらすことに
よって、同様に応用が可能であることを理解するに至っ
た。

【００１１】

【作用】本発明は、原子間力顕微鏡において、原子間力
の検出方式を圧電薄膜やピエゾ抵抗にすること等で小型
化した原子間力顕微鏡プローブを光学顕微鏡の対物レン
ズと観察試料の間の位置に、または、対物レンズと該プ
ローブを交換可能な構造にする事により、対物レンズの
位置に配置することによって、光学顕微鏡で原子間力顕
微鏡の走査位置を確認できる構成を特徴とする。この構
成により、光学顕微鏡によって低中倍率の像を観察し、
同じ観察試料を加工もせず、動かすこともせずに、付属
の原子間力顕微鏡で走査位置を確認して１０万倍から１
００万倍の像を得ることができる。

【００１２】なお、本発明において、観察試料の大きさ
を考慮する必要がないように原子間力顕微鏡プローブ側
に走査型アクチュエータを配置する方式のものを中心に
説明してきたが、以上の作用は、観察試料の大きさを考
慮すれば観察試料側に走査型アクチュエータを配置する
方式のものでも同様に実現可能である。

【００１３】

【実施例】図１に本発明による光学顕微鏡付属型原子間
力顕微鏡の第１の実施例を示す。光学顕微鏡の対物レン
ズ２０１に該対物レンズ２０１の光学顕微鏡本体部への
取付金具２０２と並列に３軸動作可能の走査用アクチュ
エータ３０１を取り付ける。その先には圧電薄膜型の原
子間力検出プローブ１０１の先端部が対物レンズの観察
視野内にくるように取付部材３０２を使用し設置されて
いる。取付部材３０２は、その詳細については図示して
いないが、検出プローブ１０１を３軸に移動可能な構造
になっている。

【００１４】ここで図２、図３を用いて圧電薄膜型原子
間力検出プローブ１０１について説明する。図２は圧電
薄膜型原子間力検出プローブ１０１の先端部の斜視図で
ある。シリコンウエハ１１１の先端部にカンチレバー１
１２を形成してある。これはウエハ１１１の先端部をエ
ッチングする事により作製する。カンチレバー１１２の
寸法は幅０.２ｍｍ、長さ０.４３ｍｍ、厚み０.０１ｍ
ｍである。このカンチレバー部１１２の上部には図示し
ないＭｇＯ膜を２００ｎｍの厚みに形成し、緩衝層とし
て使用する。その上に下部電極１１３としてＰｔ膜を２
００ｎｍの厚みに形成する。更にその上に圧電層１１５
として鉛系強誘電体であるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺ
Ｔ）を厚み１μｍ形成する。その上には上部電極１１４
としてＰｔを１００ｎｍの厚み形成する。さらにカンチ
レバー１１２の先端下部にタングステン針を接着、下面
には単振動用ピエゾ振動子１１７を張り付け完成する。
こうして完成したカンチレバー全体を図３に示す。
（Ａ）は上面からみた図、（Ｂ）は断面図である。大き
さはカンチレバーの先端まで長さ約７.５ｍｍ、幅最大
で５ｍｍである。尚、（Ｂ）図では長さ方向に対し、厚
み方向を実寸より強調して表現している。基本的な機能
として、この先端の針が上下に動いた時に、圧電体層１
１５が同様に変位し、該圧電体層１１５を挟み込んでい
る電極１１３と１１４間に電圧が発生する。

【００１５】この様に圧電薄膜型プローブはカンチレバ
ーと変位検出系が一体化されているため、図１に示すよ
うに対物レンズと観察試料４０１の間に入る位、小型化
が可能である。又、走査用のセラミックスチューブ型ア
クチュエータ３０１に負担がかからないくらい軽量化が
可能である。光学顕微鏡にて圧電薄膜型プローブ１０１
を観察しながら、該プローブを顕微鏡視野の略中央部分
にカンチレバーの先端部を取付部材３０２のＸ、Ｙ方向
可動具を用いて移動させる。観察試料とカンチレバー先
端の探針との接近は光学顕微鏡ステージの微動機構を使
用して可能にする。これも、光学顕微鏡を見ながら観察
できる。試料とレバー１０１の針が接触したのを確認し
た後、走査用アクチュエータ３０１を作動させＸＹＺ方
向に走査し描画させる。実際にはピエゾ振動子１１７を
所定の振動で振動させ、カンチレバー１１２と針１１６
を振動させる。横方向（Ｘ、Ｙ）に走査用アクチュエー
ター３０１に電圧を印加し、カンチレバーを走査し、Ｚ
方向にカンチレバー１０１の針１１６の表面形状から受
ける原子間力が一定になるように走査アクチュエータを
使用して走査する。測定モードは周期的に試料表面と探
針が接触する、いわゆるタッピングモードである。走査
アクチュエータ３０１はピエゾ素子のため、印加電圧と
実際の駆動変位との間にヒステリシスが存在する。この
ヒステリシスは前もって対電圧と駆動の関係を測定して
おき、表面観察後ヒステリシス量をコンピューターにて
誤差を補正する。設定時の観察試料とカンチレバーの接
近はステージを上昇させる方法のみならず、対物レン
ズ、カンチレバー系全体を下降させることによっても可
能である。試料の他の部分を観察したい場合は、一旦カ
ンチレバーと試料を離し、試料の載っているステージを
所定距離移動させることにより可能である。市販の工場
顕微鏡のシステムにはステージの移動距離を測定できる
エンコーダーを付属しており、同システムを採用するこ
とにより、大型試料の測定も可能になる。

【００１６】図４には第２の実施例を示す。この実施例
では、光学顕微鏡の対物レンズと試料の間の間隔にカン
チレバーを挿入出来ない場合に適応する。３０３はレボ
ルバーシステムになっている。このレボルバーを図示す
る軸中心に回転することにより、対物レンズとアクチュ
エーター３０１に取り付けたカンチレバー１０１を同じ
光学軸に移動することが可能になっている。尚、アクチ
ュエーター３０１とカンチレバー１０１、取付部材３０
２は実施例１の場合と同じである。光学顕微鏡を見なが
らカンチレバーを観測することが出来ないので、最初に
光学顕微鏡の略中央にカンチレバーの先端を位置だしし
ておく必要がある。前もって光学顕微鏡で試料の表面を
観測し、原子間力顕微鏡で観測するおよその位置を決定
し、レボルバーを回転させ、カンチレバーを所定の位置
に持ってくる。この後はレボルバー、対物レンズ、カン
チレバーを含む系全体を降下させてもよいし、試料の載
っているステージを上昇させてもよい。この後の走査等
は実施例１と同じである。

【００１７】図５は第３の実施例を示す。この実施例は
第１の実施例の変形である。光学顕微鏡の対物レンズ２
０１の真下には試料４０１を配置し、対物レンズの横側
にはカンチレバー１０１を取り付け部材３０２によって
取り付けた走査用アクチュエータが、自らの中心軸を回
転軸として回転可能な部材３０３に取り付けられてい
る。図５はカンチレバーの長さ方向が対物レンズの中心
の光学軸に向かう方向に対して直角に取り付けられてい
る様子を示す。図１に示す第１の実施例は対物レンズの
中心部にカンチレバーが配置されることより、およその
カンチレバーの位置は観察できるが、その部分にゴミが
あるかどうかは観察できない。本実施例はこの欠点を改
良したものであり、部材３０３がその中心軸を回転軸と
して回転可能であり、この実施例では１直角毎にクリッ
クがかかるようになっている（クリック部の図示は省略
した）。前もって光学顕微鏡で試料４０１の表面を観察
し、ゴミ等が無いことを確認し、図示するカンチレバー
回避の位置から、図１が示すカンチレバーの位置まで部
材３０３を９０度回転させ位置出しする。細かい位置出
しは図示しない部材３０２の可変機構により光学顕微鏡
を観察しながら行う。この後の操作は実施例１と同じで
ある。カンチレバーによる原子間力顕微鏡の観測後、再
度カンチレバー１０１の回避後に再度試料の表面を光学
顕微鏡により確認でき、カンチレバーの走査により、試
料の表面の異常痕の存在等をその場で観察でき、従来で
は原子間力顕微鏡により観察後、取り外した試料の光学
顕微鏡での再観察はその位置を見つけるだけでも大変で
あることを考えてもその便利さは非常に大である。この
実施例ではカンチレバーの回避を回転によって実施した
が、カンチレバー１０１、部材３０２、走査アクチュエ
ータ３０１、部材３０３を、部材３０３を移動可能な構
造にし、こららを対物レンズより離す事により回避可能
にする事が出来ることも特記しておく。これまでの実施
例で用いたカンチレバーは、その大きさからして本来タ
ッピングモードで使用するのが望ましい。しかし、カン
チレバーの大きさが小さくなれば、非接触モードで観測
できる。

【００１８】これまでのカンチレバーは、圧電体膜で作
製していたが、この材料にとどまらないことは言うまで
もない。例えばピエゾ抵抗体薄膜によりカンチレバーの
感知膜を作製してもよい。この場合には酸化したシリコ
ン基板上に形成したボロンドープのシリコン膜を形成し
ピエゾ抵抗体として使用する。これをバックエッチング
によりシリコン基板をエッチングして落とし、ピエゾ抵
抗体付きのカンチレバーを形成する。これを取り付けて
の操作法等はいままで述べた実施例に示す通りである。

【００１９】本発明の他の実施例を述べる。図６は本発
明を光てこ式原子間力顕微鏡に適用させたものである。
図６（Ａ）はその装置の主要部の正面図を示したもので
ある。対物レンズ２０１の下にはステージ上被測定試料
４０１を置く。カンチレバー１０２は窒化珪素膜で形成
されており、その上部はレーザー光が反射できる程度に
平坦である。カンチレバー１０２は取付治具３０４によ
りホルダー３０５に取り付けられている。ホルダー３０
５は３軸可動のアクチュエータ３０６に取り付けられて
いる。対物レンズ２０１を経たカンチレバー像を観察し
ながら、カンチレバー先端部を、アクチュエータ３０６
を操作して、視野の中央部に持ってくる。静かにカンチ
レバーを下げ、試料４０１の表面にカンチレバー先端を
接触させる。（Ａ）の紙面側表側からヘリウムネオンレ
ーザーをカンチレバーの上部にあて、反射光を４分割セ
ンサーに取り込む。その側面図を（Ｂ）に示す。レーザ
ー光は図示しない光源から光ファイバー５０１にて所定
位置まで持ってくる。カンチレバー上部からのレーザー
反射光はセンサー５０２に入射させる。レーザー光のカ
ンチレバー上への位置出しは、光学顕微鏡の視野中で行
う。ステージを走査させ、カンチレバーの上下の動きを
センサーの信号から読み取る。この実施例ではカンチレ
バーを振動させないでステージを走査させ、試料の表面
の凹凸に応じてのカンチレバーの上下を測定する、いわ
ゆるコンタクトモード法を述べたが、カンチレバーに圧
電素子を取付け、これを用いてカンチレバーを振動さ
せ、実施例１で述べた方法と同じように、タッピングモ
ードやノンコンタクトモード法にも適応できることは言
うまでもない。

【００２０】図７は本発明を光干渉方式の原子力顕微鏡
に適応した実施例である。対物レンズカンチレバー系の
基本的な箇所は前実施例と同様であるが、カンチレバー
の上下の動きを、カンチレバー上に垂直に当てたヘリウ
ムネオンレーザー光の干渉で読み取るところが異なる。
カンチレバー直前までは光ファイバー５０１にてレーザ
ー光を導き、カンチレバー上に垂直に当て、反射光を再
度ファイバーに取り込み、図示しない干渉系システムで
カンチレバーの動きを観測する。この実施例でも前実施
例と同様に、カンチレバーを圧電素子で振動させる方法
にも適応できることは言うまでもない。

【００２１】さらに、チューブ型アクチュエータを用い
た、本発明の別の実施例を以下に述べる。図８に第６の
実施例を示す。この実施例では、円筒形（チューブ型）
の走査用圧電アクチュエータの中心軸上に光学顕微鏡用
の対物レンズを配置したものである。また、走査用圧電
アクチュエータには保持部材を介して圧電薄膜方式のカ
ンチレバーが取り付けられ、カンチレバーの先端部は光
学顕微鏡で観察可能なように、光学顕微鏡の視野内に入
るように位置される。

【００２２】このような構成により、走査用圧電アクチ
ュエータの走査範囲が大きく、また、歪みのないＡＦＭ
像をとることが可能となった。また、光学顕微鏡の対物
レンズにチューブ型アクチュエータをかぶせるように配
置するにあたって、検出系が対物レンズと被測定試料の
間に入る程度に小型で、アクチュエータに負担がかから
ない程度に軽量である必要から、圧電薄膜方式のカンチ
レバーの使用が不可欠である。

【００２３】基本的な操作手順は、実施例１と同様であ
る。以上のように、本発明の各実施例においては、光学
顕微鏡付属型の原子間力顕微鏡について述べてきたが、
本発明はこれまでの実施例のみにとどまらず、非常に小
さいカンチレバーを使用する他の例、例えば磁気力顕微
鏡等にも適応できる。

【００２４】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、光学顕
微鏡によって低中倍率の像を観察し、同じ観察試料を付
属の原子間力顕微鏡で走査位置を確認して、高分解能の
画像を得ることができる。また、原子間力顕微鏡による
観測の前後に被測定試料の表面やカンチレバーそのもの
を光学顕微鏡でその場観測することが出来、試料面、カ
ンチレバーの状態が観察できる。又、光学顕微鏡はカン
チレバーの位置出し、カンチレバー上へのレーザー光の
位置出し等を行うときにも使用できる。更に、大型の試
料も観察可能になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光学顕微鏡付属型原子間力顕微鏡
の第１の実施例の図である。

【図２】実施例１で使用するカンチレバーの主要部を示
す図である。

【図３】実施例１で使用するカンチレバーの全体を示す
図である。

【図４】本発明に係る第２の実施例の概念図である。

【図５】本発明係る第１の実施例を変形した第３の実施
例を示す図である。

【図６】本発明に係る第４の実施例を示す図である。

【図７】本発明に係る第５の実施例を示す図である。

【図８】本発明に係る第６の実施例を示す図である。

【符号の説明】

１０１・・・・・・・カンチレバー１０２・・・・・・・カンチレバー１１１・・・・・・・シリコン部材１１２・・・・・・・シリコン梁部材１１３・・・・・・・下部電極１１４・・・・・・・上部電極１１５・・・・・・・圧電薄膜１１６・・・・・・・カンチ用針２０１・・・・・・・光学顕微鏡用対物レンズ３０１・・・・・・・走査用圧電アクチュエータ３０２・・・・・・・カンチレバー保持部材３０３・・・・・・・レボルバー機構３０４・・・・・・・カンチレバー保持部材３０５・・・・・・・保持部材３０６・・・・・・・３軸駆動機構４０１・・・・・・・被測定試料５０１・・・・・・・光ファイバー５０２・・・・・・・分割センサー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】観察試料を観察する原子間力顕微鏡と、
前記観察試料及び原子間力顕微鏡のプローブの走査状態
を観察する光学顕微鏡とからなる複合型顕微鏡。
【請求項２】請求項１において、前記原子間力顕微鏡
のプローブは前記光学顕微鏡の対物レンズの周りに配置
されたチューブ型アクチュエータに固定されていること
を特徴とする複合型顕微鏡。
【請求項３】観察試料を観察する光学顕微鏡であっ
て、該光学顕微鏡の対物レンズが原子間力顕微鏡のプロ
ーブと交換可能であることを特徴とする複合型顕微鏡。
【請求項４】請求項１または請求項２または請求項３
において、原子間力顕微鏡のプローブが圧電薄膜により
原子間力を検出する形式のものであることを特徴とする
複合型顕微鏡。
【請求項５】請求項４において、圧電薄膜が鉛系強誘
電体からなることを特徴とする複合型顕微鏡。
【請求項６】請求項５において、圧電薄膜がチタン酸
ジルコン酸鉛からなることを特徴とする複合型顕微鏡。
【請求項７】請求項１または請求項３において、原子
間力顕微鏡のプローブ側に走査用アクチュエータが配置
され、前記プローブを観察試料に対して走査することに
より観察試料を観察することを特徴とする複合型顕微
鏡。
【請求項８】請求項１または請求項３において、観察
試料側に走査用アクチュエータが配置され、観察試料を
原子間力顕微鏡のプローブに対して走査することにより
観察試料を観察することを特徴とする複合型顕微鏡。
【請求項９】請求項１または請求項３において、原子
間力顕微鏡のプローブがピエゾ抵抗により原子間力を検
出する形式のものであることを特徴とする複合型顕微
鏡。
【請求項１０】請求項１または請求項３において、原
子間力顕微鏡のプローブが光テコにより原子間力を検出
する形式のものであることを特徴とする複合型顕微鏡。
【請求項１１】請求項１または請求項３において、原
子間力顕微鏡のプローブが光干渉により原子間力を検出
する形式のものであることを特徴とする複合型顕微鏡。