JPH1062438A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 カンチレバーのたわみ変形の検出に光テコを
用い、Ｚ軸方向の変位手段にたわみ変形を利用したとき
に生じる誤差信号の割合の低減と、Ｚ軸方向の変位手段
となるカンチレバー保持部の寸法の低減による制御の周
波数応答性の向上を両立する。 【解決手段】 探針13を備えたカンチレバー11と、レー
ザ光源14と光検出器15からなるカンチレバー変位計測手
段と、カンチレバーを試料に対して接近・退避させる接
近退避手段と、探針と試料の距離を変化させる変位手段
と、走査手段と備え、さらに変位手段12はたわみ変形を
利用して前記距離を変化させるＺ軸圧電素子12でありか
つカンチレバーの保持部に設けられ、当該保持部に反射
面12a を形成し、レーザ光源からのレーザ光16は反射面
で反射され、その反射光をカンチレバーの背面で反射し
て光検出器へ導くようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は走査型プローブ顕微
鏡に関し、特に、高速に探針を走査して試料の表面情報
を得るのに適した走査型プローブ顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、先
端の尖った探針を試料に対してナノメートル（ｎｍ）オ
ーダまで接近させ、探針と試料との間に生じる原子間力
等の相互作用を測定して、試料表面の形状などを原子寸
法レベルで計測する装置である。その中で走査型原子間
力顕微鏡（ＡＦＭ）に代表される例えば力顕微鏡では、
カンチレバーと呼ばれる非常にバネ定数の低い片持ち梁
を用い、カンチレバー先端に備えた探針と試料の間に作
用する原子間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。

【０００３】図５に従来の一般的なＡＦＭの構成を示
す。先端に探針３１を有するカンチレバー３２の変位
は、レーザ光源３３と光検出器３４からなる光テコと呼
ばれる光学的変位検出装置により計測される。光テコ
は、ＡＦＭのカンチレバーの変位検出装置として一般に
広く用いられている。またトライポッド３５は、試料の
ＸＹ方向走査と探針・試料間距離を制御するＺ軸方向駆
動とを行うための３次元アクチュエータであり、一般に
広く用いられている。トライポッド３５では、Ｚ軸圧電
素子３６により探針・試料間の距離を制御し、Ｘ軸圧電
素子３７および図示しないＹ軸圧電素子によりＸＹ方向
の走査を行う。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各圧電素子は試料台
３８を支持し、試料台３８の上には試料３９が配置され
る。

【０００４】試料表面の形状を測定するときには、図示
しない接近機構によってカンチレバー３２を移動させ、
探針３１を試料３９に対し原子間力が作用する領域まで
接近させる。その時、探針３１が力を受け、カンチレバ
ー３２にたわみ変形が生じる。光テコにより検出された
カンチレバー３２のたわみ変形による変形量が一定にな
るように、すなわち探針３１の押しつけ力が一定になる
ようにＺ軸圧電素子３６の制御を行いながら、トライポ
ッド３５を動作させて試料３９の表面を走査すると、Ｚ
軸圧電素子３６の制御信号は試料３９の表面の凹凸に応
じて変化する。その制御信号に基づき試料表面の凹凸情
報が得られる。

【０００５】ところで上記のＡＦＭ測定において、試料
３９の走査速度を大きくし、高速な測定を行う場合、ト
ライポッド３５のＺ軸方向の制御が追従しきれないとい
う問題が生じる。制御が追従できなければ正確な凹凸情
報を得ることはできないし、走査速度や試料表面の形状
によっては全く測定できない場合もある。

【０００６】そこでＺ軸方向の制御の応答周波数帯域を
高くする必要が生じる。Ｚ軸方向の制御の応答周波数帯
域は、トライポッド３５等の機械的要素の固有振動数、
圧電素子の静電容量と駆動回路の電流容量、制御系の周
波数特性などにより制限される。従って、Ｚ軸方向の駆
動重量を小さくし、その固有振動数を高くできれば、制
御の応答周波数帯域を向上できる。しかし、トライポッ
ド３５を用いて試料の位置を変化させる方式では、測定
する試料のサイズにより自ずと限界がある。

【０００７】そこで、さらに、Ｚ軸方向の変位手段をカ
ンチレバー３２の側に設けるように構成し、その寸法を
小さくする手段を考える。圧電素子の寸法を小さくし、
その静電容量を小さくすることは、制御の応答周波数帯
域を向上するのに非常に有効である。

【０００８】しかし、圧電素子の寸法を小さくしその静
電容量を小さくすることは、同時に変位量の減少を招
く。そこで、たわみ変形を利用して変位を生じさせる圧
電素子を用いたＺ軸方向の変位手段が有効である。いわ
ゆるユニモルフ型あるいはバイモルフ型の圧電素子であ
る。その例としてカンチレバーそのものをＺ軸方向の変
位手段とするものが、例えばAppl.Phys.Lett.67(26),25
Dec. 1995 に報告されている。この方式では、カンチレ
バー上に形成したＺｎＯ薄膜によりカンチレバーをたわ
み変形させて探針の位置を上下に変位させる。また試料
表面の凹凸に応じて生じるカンチレバーでのたわみ変形
の検出にはカンチレバー上に形成されたピエゾ抵抗薄膜
が用いられる。当該たわみ変形の検出に光テコは用いら
れない。さらに、ピエゾ抵抗薄膜により検出されるたわ
み変形（本来検出したいたわみ変形で試料表面の凹凸に
起因するもの）の領域と、検出された信号に基づき探針
位置を制御するＺｎＯ薄膜によるたわみ変形（本来検出
されてはならないたわみ変形で検出されれば誤差となる
変形）の領域とを、構造上分離することにより、ＺｎＯ
薄膜によるたわみ変形に起因する干渉信号（誤差信号）
を原理的に除去している。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】カンチレバーそのもの
の構成にＺ軸方向の変位手段を組込む従来の構成は、制
御の応答周波数帯域の向上に非常に有効である。しか
し、カンチレバーをたわみ変形させるためのＺｎＯ薄膜
とカンチレバーのたわみ変形を検出するためのピエゾ抵
抗薄膜を、わずか１００μｍ程度のカンチレバー上に形
成しなければならないので、製作が困難である。

【００１０】そこで、カンチレバーのたわみ変形の検出
に、従来からよく知られる、構成が比較的に簡単な光テ
コの利用が考えられる。

【００１１】しかしながら、光テコを用いた場合には、
カンチレバーのたわみ変形量を角度の変化として検出す
るので、Ｚ軸方向の変位手段にたわみ変形を利用する限
り、試料表面の凹凸によるカンチレバーのたわみ変形
と、探針・試料間の距離を調整するため探針を上下させ
るたわみ変形とを完全に分離して検出することは原理的
に不可能である。このような理由から、Ｚ軸方向の変位
手段としてカンチレバーそのもののたわみ変形を利用す
る限り、光テコを変位検出装置として用いることは困難
であった。

【００１２】例えば図５に示した光テコによるカンチレ
バーの変位検出において、カンチレバーの長さをｌ（通
常１００〜２００μｍ）、反射光の光路（カンチレバー
から光検出器までの距離）をＬ、カンチレバー先端（探
針）の変位量をΔ、光検出器上での検出光の変位量をＤ
とすると、その変位の拡大率（検出感度に相当）は、カ
ンチレバーのたわみ変形による角度変化がごく微小な場
合、下式（１）で近似できる。

【００１３】

【数１】Ｄ／Δ＝２Ｌ／ｌ …（１）

【００１４】ここでＬ＝５０ｍｍ、ｌ＝１００μｍとす
ると、拡大率は１０００倍となる。また前述したカンチ
レバーそのものをたわみ変形させることにより、探針の
位置を上下に変化させる構成の場合、そのままでは全く
同様に１０００倍の拡大率で検出される。カンチレバー
そのものをたわみ変形させることによって生じる信号が
検出されることは望ましくない。この信号が検出される
と誤差となり、この場合、有効な信号に対する誤差信号
の割合は１：１となり、全く測定ができないことにな
る。

【００１５】さらに、探針と試料との距離を変化させる
Ｚ軸方向の変位手段はたわみ変形を利用したものとし、
そのＺ軸方向の変位手段をカンチレバーの保持部に構成
するようにした場合、例えば、その保持部の長さを１０
ｍｍとして上記計算のｌに当てはめてみると、拡大率は
１０倍となる。従って、有効な信号に対する誤差信号の
割合は１／１００となり、大幅に減少させることができ
る。

【００１６】さらに、ここでカンチレバーの長さをｌ、
保持部の長さをｌ′としたとき、上記誤差信号の割合
は、両者の長さの比ｌ／ｌ′によって決まる。従って、
保持部の長さｌ′を長くすればするほど誤差信号の割合
は小さくなり、逆に保持部の長さを短くすれば、誤差信
号の割合は大きくなる。

【００１７】一方、圧電素子の寸法を小さくし、またそ
の静電容量を小さくした方が、制御の応答周波数を向上
するのに有利であるので、変位手段となるカンチレバー
の保持部の寸法は小さい方が良い。従って、誤差信号の
割合の低減と応答周波数の向上とは互いに相反する要求
であり、両方を実現することには限界がある。

【００１８】本発明の目的は、上記の課題を解決するこ
とにあり、カンチレバーのたわみ変形の検出に光テコを
用いかつＺ軸方向の変位手段にたわみ変形を利用した構
成を用いるときに生じる誤差信号の割合の低減と、Ｚ軸
方向の変位手段となるカンチレバー保持部の寸法の低減
による制御の周波数応答性の向上とを両立できる走査型
プローブ顕微鏡を提供することにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段および作用】本発明に係る
走査型プローブ顕微鏡は、試料に対向する探針を先端に
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したレーザ光
を受光する光検出器からなるカンチレバー変位計測手段
と、カンチレバーを前記試料に対して接近・退避させる
接近退避手段と、探針と試料の距離を変化させる変位手
段と、試料の表面に対しカンチレバーを相対的に走査さ
せる走査手段と備え、さらに、上記目的を達成するた
め、変位手段は、たわみ変形を利用して前記距離を変化
させるように構成されかつカンチレバーの保持部に設け
られ、カンチレバーの保持部にレーザ光を反射する反射
面を形成し、レーザ光源より出射されたレーザ光は反射
面で反射され、その反射光をカンチレバーの背面で反射
して光検出器へ導くように構成される。

【００２０】本発明では、探針・試料間の距離を調整す
るＺ軸方向の変位手段をたわみ変形を利用しかつカンチ
レバー保持部に設けるようにした構成と、レーザ光源よ
り出射されたレーザ光をカンチレバー保持部の反射面で
反射し、その反射光をカンチレバー背面で反射し、さら
にその反射光を光検出器で受光するようにした構成とを
組合せることにより、Ｚ軸方向の変位手段であるＺ軸圧
電素子をたわみ変形させたときのカンチレバーの反射面
の角度変化に起因する誤差信号の発生を抑制することが
できる。また、変位手段となるカンチレバーの保持部の
寸法を低減することにより制御の周波数応答性を向上す
ることができる。こうして、誤差信号の割合の低減と制
御の周波数応答性の向上とが両立できる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の好適な実施形態
を添付図面に基づいて説明する。

【００２２】図１は本発明に係る走査型プローブ顕微鏡
の要部構成とその作用を原理的に説明する図である。こ
の走査型プローブ顕微鏡は、先端に探針を有するカンチ
レバーを備え、探針と試料の間で生じる原子間力を利用
して試料の表面計測を行う。図１で、太い実線は最初の
状態を示し、細い実線はカンチレバーおよびその保持部
が下方に変位した状態を示す。カンチレバー１１は保持
部１２に保持されている。保持部１２は、自身のたわみ
変形を利用して変位を発生する変位手段であって、探針
・試料間の距離を調整する働き、換言すれば、カンチレ
バー１１のＺ軸方向における変位を生じさせる働きを有
する。保持部１２にはたわみ変形を生じる圧電素子が使
用され、以下、Ｚ軸圧電素子という。Ｚ軸圧電素子１２
は所要の長さを有し、例えばバイモルフ型と呼ばれる圧
電素子が用いられる。カンチレバー１１の保持部である
Ｚ軸圧電素子１２のカンチレバー側の面１２ａは好まし
くはカンチレバー１１の背面に実質的に直交するように
形成される。面１２ａは反射面として形成される。カン
チレバー１１の先端には探針１３が形成される。

【００２３】かかるカンチレバー１１等に対して変位計
測装置として、レーザ光源１４と光検出器１５からなる
変位検出光学系が配置される。

【００２４】レーザ光源１４から出射されたレーザ光１
６は、Ｚ軸圧電素子１２の端面の反射面１２ａで反射さ
れ、その反射光はカンチレバー１１の背面で反射され、
さらにその反射光は光検出器１５へ導かれ、ここで受光
される。かかるレーザ光１６の光路では、入射光と反射
光の間で必ず平行な光路が形成されるという特徴が生じ
る。

【００２５】上記の構成によって、実際にＡＦＭの測定
を行った場合には、試料表面の凹凸によるカンチレバー
１１のたわみ変形（本来検出したいたわみ変形でこの信
号に基づき制御を行う）は、図５に示した従来の一般的
な光テコと全く同様に検出できる。

【００２６】一方、Ｚ軸圧電素子１２の全体がたわみ変
形することにより、カンチレバー１１と反射面１２ａの
角度が変化し、かつその位置も変化する。しかしなが
ら、カンチレバー１１の背面と反射面１２ａのなす角は
９０度のまま変化しないので、光検出器１５に入射する
レーザ光の角度は、レーザ光源１４から出射されたレー
ザ光に対して平行のまま保たれ、角度変化を生じない。
その結果、光テコによる変位の拡大が作用しなくなり、
カンチレバー１１の位置が変化することによるレーザビ
ームの平行移動による誤差成分のみが検出される。従っ
て、誤差成分については近似的に拡大率１とみなすこと
ができる。そのため、有効な信号に対する誤差信号の割
合は、光テコの拡大率の逆数に等しくなる。

【００２７】前述の従来例に従って具体的に述べると、
（１）式において、Ｌ＝５０ｍｍ、ｌ＝１００μｍとす
ると、有効な信号の拡大率は１０００倍となり、本実施
形態における誤差信号の割合は１／１０００となる。ま
た誤差信号の割合は、カンチレバー１１の保持部である
Ｚ軸圧電素子１２の長さに依存しないので、保持部すな
わちＺ軸圧電素子１２のサイズを小さくでき、制御の応
答周波数を高めることができる。

【００２８】図２は、前述の構成を適用した本発明に係
る走査型プローブ顕微鏡を部分的に示し、走査型プロー
ブ顕微鏡の例としてＡＦＭの構成を示している。本図に
おいて、試料台２１は、支持台２２においてヒンジ２３
と、Ｘ軸圧電素子２４およびＹ軸圧電素子（図示せず）
とによって支持される。ヒンジ２３の軸方向はＺ軸方向
を向いている。支持台２２、ヒンジ２３、Ｘ軸圧電素子
２４、Ｙ軸圧電素子、試料台２１によってトライポッド
２５が構成される。試料台２１の上には試料２６が配置
される。かかる試料２６に対し、その上方に、探針１３
を備えたカンチレバー１１が配置される。

【００２９】かかる構成を有するトライポッド２５に対
して、その上方に前述の構成が設けられる。保持部であ
るＺ軸圧電素子１２に保持されたカンチレバー１１は試
料２６の上方に位置し、先端の探針１３が試料２６の表
面に対向している。Ｚ軸圧電素子１２は、駆動源（図示
せず）によってたわみ変形を生じるように構成され、当
該たわみ変形によってカンチレバー１１と探針１３をＺ
軸方向に変位させる。カンチレバー１１と探針１３のＺ
軸方向の変位によって探針・試料間の距離が調整され
る。

【００３０】図２では、説明の便宜上、誇張の目的で、
カンチレバー１１や探針１３が、トライポッド２５やＺ
軸圧電素子１２等に対して同程度の大きさで示されてい
るが、実際にはカンチレバー１１は非常に小さいもの
で、例えば１００μｍ程度のものである。また例えばＺ
軸圧電素子１２の長手方向の長さは、実際には例えば１
０ｍｍ程度である。

【００３１】また、試料２６の表面を探針１３で測定で
きるようにするためには、探針１３と試料２６の表面の
との間に原子間力が作用するような距離までカンチレバ
ー１１等を移動させる図示しない接近・退避機構が設け
られる。この接近・退避機構は、測定が終了すると、カ
ンチレバー１１とＺ軸圧電素子１２を上方へ退避させ
る。

【００３２】またカンチレバー１１の上方左手の位置
に、光学的変位検出装置としてのレーザ光源１４と光検
出器１５が配置される。レーザ光源１４と光検出器１５
との間には前述の通りレーザ光１６の光路が形成され
る。これによって、試料２６の表面の凹凸で生じるカン
チレバー１１のたわみ変形を測定し、変位計測を行うこ
とができる。

【００３３】上記構成において、ヒンジ２３はトライポ
ッド２５のＺ軸方向について高い剛性を有し、Ｘ軸方向
およびＹ軸方向には容易に変形できる。従って、試料２
６の走査を防げることなく、Ｚ軸方向の剛性を確保する
作用を有する。Ｚ軸圧電素子１２は、前述の通りカンチ
レバー１１の保持部を形成すると同時に、たわみ変形を
生じ、このたわみ変形で探針１３と試料２６との距離を
変化させる。実際の試料表面の測定方法は、従来の一般
的なＡＦＭと同様である。ただし、Ｚ軸圧電素子１２に
関連する部分の構成が異なっている。試料２６を走査し
た時の表面の凹凸に起因するカンチレバー１１のたわみ
変形は、光検出器１５で検出されるその信号に基づいて
図示しないよく知られた制御機構により駆動源を制御
し、カンチレバー１１のたわみ変形量が一定となるよう
に、Ｚ軸圧電素子１２のたわみ変形動作を行う。さら
に、レーザ光源１４、反射面１２ａ、カンチレバー１１
の反射可能な背面、光検出器１５からなる光テコの構成
に特徴がある。図示された構成を有する光テコによれ
ば、図１を参照して説明された通り、有効な信号に対す
る誤差信号の割合を相当に低減した状態で変位に関する
信号を得ることができる。本構成を有する走査型プロー
ブ顕微鏡によれば、図１で説明したものと全く同様の効
果を得ることができる。

【００３４】上記では、簡単に説明するために、図１に
おける反射面１２ａをカンチレバー１１の面と直交する
ように構成した場合について述べた。反射面１２ａとカ
ンチレバー面の成す角が９０度でない場合は、レーザ光
源１４から出射されたレーザ光と光検出器１５に入射す
るレーザ光が平行にならないが、それらが互いに成す角
は、常に一定の値になる。従って、Ｚ軸圧電素子１２が
たわみ変形することによる光検出器１５への入射光の角
度変化は生じず、光テコによる変位の拡大が作用しなく
なるという点で、前述の例と全く同様の効果が期待でき
る。

【００３５】また前述の例では、カンチレバー１１の保
持部そのものでたわみ変形を生じるＺ軸圧電素子１２と
した場合を説明したが、Ｚ軸圧電素子１２を別途に設け
て、それに対してカンチレバーの保持部を接着等により
固定する類似の構成も考えられる。この場合にも、同様
に前述の効果を期待できる。

【００３６】またここで、図３と図４を参照して、Ｚ軸
方向の変位手段としてたわみ変形を利用したＺ軸圧電素
子１２を用いる本発明の構成において、光テコとして、
本発明の構成（図４に示す）を適用する場合と、従来の
構成（図３に示す）を適用する場合の違いを説明する。
図３と図４において、２２ａは支持台であり、左側端部
に前述の構成を有するトライポッド２５が設けられると
共に、左側部に長形の長さａ１のＺ軸圧電素子１２が取
り付けられる。Ｚ軸圧電素子１２の左端にはカンチレバ
ー１１が設けられる。図３の構成では、レーザ光源１４
から発射されたレーザ光はカンチレバー１１の背面で直
接に反射され、光検出器１５に入射される。図４の構成
は、図１および図２で説明した構成と同じである。図３
と図４において、既に説明した要素と同一の要素には同
一の符号を付している。また図３と図４で、Ｚ軸圧電素
子１２がたわみ変形を生じ、カンチレバー１１の先端に
位置する探針が距離ｄだけが下方に変位した状態が破線
で示されている。

【００３７】図３と図４の図示例で明らかなように、従
来の光テコの構成では、探針が距離ｄだけ下方に変位す
るだけでΔ１という大きな反射光のずれが発生するのに
対して、本発明の光テコの構成では、反射光のずれΔ２
はほぼｄに等しい。このように、従来の光テコの構成に
よれば、Ｚ軸圧電素子１２のたわみ変形に伴うカンチレ
バー１１の変位で生じる反射光の角度が非常に大きく変
化するため、ずれΔ１がＺ軸圧電素子１２の長さａ１や
反射光路の長さに依存する。これに対して、本発明の構
成によれば、反射光の角度が変化しないので、ずれΔ２
がＺ軸圧電素子１２の長さａ１や反射光路の長さに依存
しないという利点を有する。

【００３８】

【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、カンチレバーのたわみ変形の検出手段に光テコを
用い、かつＺ軸方向の変位手段にたわみ変形を利用した
圧電素子をカンチレバー保持部に設けた場合において、
光テコの入射光路と反射光路が好ましくはほぼ平行にな
るように構成したため、有効な信号に対する誤差信号の
割合の低減と、変位手段となるカンチレバー保持部の寸
法の低減による制御の周波数応答の向上を両立すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の原理を説
明するための構成図である。

【図２】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡の要部構成
を示す構成図である。

【図３】従来の光テコの欠点を説明するための構成図で
ある。

【図４】本発明の光テコの利点を説明するための構成図
である。

【図５】従来の走査型プローブ顕微鏡を示す構成図であ
る。

【符号の説明】

１１ カンチレバー １２ Ｚ軸圧電素子（保持部） １２ａ 反射面 １３ 探針 １４ レーザ光源 １５ 光検出器 ２１ 試料台 ２５ トライポッド ２６ 試料

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料に対向する探針を先端に備えたカン
   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したレーザ光を受光
   する光検出器からなるカンチレバー変位計測手段と、前
   記カンチレバーを前記試料に対して接近・退避させる接
   近退避手段と、前記探針と前記試料の距離を変化させる
   変位手段と、前記試料の表面に対し前記カンチレバーを
   相対的に走査させる走査手段と備える走査型プローブ顕
   微鏡において、 前記変位手段は、たわみ変形を利用して前記距離を変化
   させるように構成され、かつ前記カンチレバーの保持部
   に設けられ、 前記カンチレバーの保持部に前記レーザ光を反射する反
   射面を形成し、 前記レーザ光源より出射された前記レーザ光は前記反射
   面で反射され、その反射光を前記カンチレバーの背面で
   反射して前記光検出器へ導いたことを特徴とする走査型
   プローブ顕微鏡。