JPH11230971A - 微動機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 バネ要素を微動機構側に設け、試料表面に対
し三次元に走査させる構成からなる原子間力顕微鏡や磁
気力顕微鏡といったプロ−ブ顕微鏡に用いられる微動機
構において鉛直方向に関わる微動機構にかかる負荷を低
減し、追従性の向上を図った構成にしたプロ−ブ顕微鏡
用の微動機構の提供を目的とするものである。 【解決手段】 三次元（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に走査する微動機
構において、固定端側に面内（Ｘ，Ｙ）に動作する部分
を設け、前記面内（Ｘ，Ｙ）に動作する部分の先に鉛直
方向（Ｚ）に動作する部分を配置し、前記面内（Ｘ，
Ｙ）に動作する部分と前記鉛直方向（Ｚ）に動作する部
分の境にレ−ザ−およびレンズ系を保持させ、前記鉛直
方向（Ｚ）に動作する部分の先にバネ要素を設けた構成
にした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は物質間に働く原子
間力または磁気力といった様々な力を微小なバネ要素で
変位に変換し、その変位をレーザー光をバネ要素に照射
しその反射光の位置ずれとして光検出素子で検出して制
御信号とする方式の原子間力顕微鏡や磁気力顕微鏡とい
ったプロ−ブ顕微鏡に用いる微動機構に関する。

【０００２】

【従来の技術】プロ−ブ顕微鏡の一種である原子間力顕
微鏡（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐ
ｅ）はＳＴＭの発明者であるＧ．Ｂｉｎｎｉｇらによっ
て考案（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅ
ｒｓ ｖｏｌ．５６ ｐ９３０１９８６）されて以来、
新規な絶縁性物質の表面形状観察手段として期待され、
研究が進められている。その原理は先端を充分に鋭くし
た検出チップと試料間に働く原子間力を、前記検出チッ
プが取り付けられているばね要素の変位として測定し、
前記ばね要素の変位量を一定に保ちながら前記試料表面
を走査し、前記ばね要素の変位量を一定に保つための制
御信号を形状情報として、前記試料表面の形状を測定す
るものである。

【０００３】ばね要素の変位検出手段としてはトンネル
電流を用いるＳＴＭ方式と光学的方式に大別される。Ｓ
ＴＭ方式は二つの導体を数ナノメータ〜数オングストロ
ームの距離に近付け電圧を印加すると電流が流れ始める
いわゆるトンネル現象を利用するものである。ばね要素
に導電性を付与しておき、鋭利な金属針をばね要素に１
ナノメータ程度まで接近させてトンネル電流を流し、そ
の電流値をばね要素の変位信号として制御を行う。

【０００４】光学的方式にはいわゆる干渉法そのものを
使った例（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＶａｃｕｕｍ Ｓｃｉ
ｅｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ａ６（２）ｐ２６６
Ｍａｒ／Ａｐｒ １９８８）や、レーザー光をばね要素
に照射しその反射光の位置ずれを光検出素子で検出して
変位信号とする、光てこ方式と呼ばれる例（Ｊｏｕｒｎ
ａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ６５
（１）、１ ｐ１６４ Ｊａｎｕａｒｙ １９８９）が
報告されている。

【０００５】本発明は光てこ方式のプロ−ブ顕微鏡に係
わる。プロ−ブ顕微鏡は試料にあい対する位置に配置さ
れたプロ−ブが試料から原子間力を受けるものならば原
子間力顕微鏡と称され、磁気力ならば磁気力顕微鏡と称
される様に試料から生じる様々な力を検出して試料の状
態を観察できるものである。プローブ顕微鏡の構成とし
て観察試料が小さいものでは、電圧を印加することで変
形する圧電素子を組み込んだ三次元に動作する微動機構
側に試料を配置するものが主であるが、一方ではハード
デイ スクや半導体関連のウェハ試料を小片にせずに観察
したいというニーズがある。プローブ顕微鏡は基本動作
として微動機構を面内に動作させバネ要素に構成された
探針を試料面に対し面内に移動させる、それにより、試
料と探針間に働く物理力によるバネ要素の変形をモニタ
し微動機構を鉛直方向に動作させた結果により試料表面
形状及び状態を視覚化するものである。そこで、試料側
を三次元に走査するのではなく、微動機構側に変位検出
部を設けた構成のプローブ顕微鏡がある。このような構
成のプロ−ブ顕微鏡としては例えば、「Measurement
of Si wafer and SiO2 layer microroughnessby larg
e sample atomic force microscope J.Vac.Sci.Techno
l.b 12(3),May/Jun 1994 P1572-1576 及び特願平9-330
064」に記載の三次元動作ステージを有するプローブ顕
微鏡がある。また、この様なプロ−ブ顕微鏡に用いられ
るバネ要素側を三次元に走査させる微動機構として図４
に示すような構成のものがある。筐体４１に圧電素子４
２の一端が固定されており、圧電素子４２の他端にはレ
−ザ−４３、レンズ４４、光検出素子４５、バネ要素１
０およびバネ要素保持部材９からなる変位検出部４６が
構成されている。この構成については「特開平6-82249
」に詳細が記載されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】プローブ顕微鏡は微動
機構を面内に動作させバネ要素に構成された探針を試料
面に対し面内に移動させる、それにより、試料と探針間
に働く物理力によるバネ要素の変形をモニタし微動機構
を鉛直方向に動作させた結果により試料表面形状及び状
態を視覚化するものであるが、通常、面内走査は走査条
件のもと一定であるに対し、鉛直方向については試料形
状によって異なるといえる。なだらかな形状に対しては
ゆっくりとした動作であり、矩形状のものであれば速い
動作となる。つまり、探針の試料面に対する追従性が問
題になる。追従性がよければ試料表面を的確に、速い走
査速度で測定できることになる。追従性の善し悪しをか
える要因として圧電素子に構成される部材の質量が上げ
られる。つまり、圧電素子に取り付けられた変位検出部
の質量（重量）である。質量は微動機構の共振周波数に
１／（質量）１／２で関係してくる。つまり、質量が大
きいと微動機構の共振周波数が下がり、追従性が悪くな
る。

【０００７】そこで、図５に示す様に変位検出部の一部
を圧電素子の根元側に（筐体固定端）設けることによ
り、圧電素子にかかる質量を軽減することが考えられ
る。圧電素子は、図６に示すような、圧電素子自体の剛
性をあげられる形状として、中空円筒状のものがあり、
三次元動作させるために電圧を印加する電極がおのおの
構成されている（配線のし易さを考慮して、折り返し内
部電極６１、面内動作であるＸ，Ｙ動作用のＸ，Ｙ動作
電極６２、鉛直動作であるＺ動作用のＺ動作電極６
３）。この形の圧電素子の動作は、面内動作が図７に示
されるような犬の尾をふるような動作をする。この内容
については「特公平6-7042」にも記載されている。この
ような動作をするため、変位検出部の一部を圧電素子の
根元側に（筐体固定端）設けると、バネ要素に照射する
レ−ザ−光軸が面内動作するたびにずれてしまい、光検
出素子に入ってくるバネ要素からの反射光がバネ要素の
試料表面から受ける力による変形とは関係なく移動して
しまい、結果として探針が誤った追従をし、真の試料表
面状態を表示しないことになる。

【０００８】この発明は、バネ要素を微動機構先端に取
り付けバネ要素側を三次元に走査する構成からなる原子
間力顕微鏡や磁気力顕微鏡といったプロ−ブ顕微鏡の微
動機構において追従性の善し悪しを左右する微動機構先
端の質量を軽減する構成のプロ−ブ顕微鏡用微動機構の
提供を目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明は、三次元
（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に走査する微動機構において、固定端側
に面内（Ｘ，Ｙ）に動作する部分を設け、面内（Ｘ，
Ｙ）に動作する部分の先に鉛直方向（Ｚ）に動作する部
分を配置し、面内（Ｘ，Ｙ）に動作する部分と鉛直方向
（Ｚ）に動作する部分の境にレ−ザ−およびレンズ系を
保持させ、鉛直方向（Ｚ）に動作する部分の先にバネ要
素を設けた構成にした。［作用］この発明は、上記の手
段を講じることにより、追従性に関わる鉛直方向（Ｚ）
に動作する部分にかかる質量および配線による負荷が低
減できる。また、面内動作側の先端にレ−ザ−およびレ
ンズを構成することにより面内走査によるバネ要素への
レ−ザ−光軸の位置変位を生じなくなる。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明は、試料と試料から受ける
原子間力及び磁気力等の物理量を検出する機構を３次元
的に相対運動させる、粗い位置決め的な粗動機構及び微
細な位置決め的な微動機構と、上記試料と上記原子間力
及び磁気力等の物理量を検出する機構間を一定の距離に
保つ制御手段と、設置環境からくる装置への振動伝達を
低減させる除振機構と、装置全体を制御する制御部及び
コンピュータを有し、上記物理量を検出する機構を上記
微動機構側に配置した構成からなる、試料表面の形状及
び状態を観察するプロ−ブ顕微鏡における、上記物理量
を検出する機構がバネ要素および光学部品（レ−ザ−、
レンズ、光検出素子）からなり、上記バネ要素側を試料
表面に対し、三次元（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に走査する微動機構
において、固定端側に面内（Ｘ，Ｙ）に動作する部分を
設け、上記面内（Ｘ，Ｙ）に動作する部分の先に鉛直方
向（Ｚ）に動作する部分を配置し、上記面内（Ｘ，Ｙ）
に動作する部分と上記鉛直方向（Ｚ）に動作する部分の
境にレ−ザ−およびレンズ系を保持させ、上記鉛直方向
（Ｚ）に動作する部分の先にバネ要素を設けた構成を有
しているものである。

【００１１】また、三次元（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に走査する微
動機構において、面内（Ｘ，Ｙ）に動作する部分と鉛直
方向（Ｚ）に動作する部分の２部品構成にし、上記面内
動作用部品側にレ−ザ−、レンズ系および鉛直方向
（Ｚ）に動作する部分の一端を保持し、上記鉛直方向
（Ｚ）に動作する部分の先にバネ要素を設けた構成にし
ても良い。

【００１２】上記面内（Ｘ，Ｙ）に動作する部分と鉛直
方向（Ｚ）に動作する部分が印加電圧により変形（伸
縮）する圧電素子を用いても良い。上記面内（Ｘ，Ｙ）
に動作する部分と鉛直方向（Ｚ）に動作する部分が中空
円筒状の圧電素子を用いても良い。上記光検出素子を鉛
直方向（Ｚ）に動作する部分に構成しても良い。上記光
検出素子を微動機構の筐体に構成しても良い。

【００１３】また、上記面内（Ｘ，Ｙ）に動作する部分
と上記鉛直方向（Ｚ）に動作する部分の境に構成される
レ−ザ−光源として光ファイバ−を用いてレ−ザ−光源
を導いた構成にしても良い。

【００１４】

【実施例】以下、図面に基ずき実施例について説明して
いく。図１は本発明の第一実施例を示した図である。筐
体１に圧電素子２か固定されている。圧電素子２は中空
円筒型をしており、両端に折り返しを有し、内側全面に
ある内部電極と面内（Ｘ，Ｙ）及び鉛直（Ｚ）動作用の
外側電極（Ｘ，Ｙ動作電極３、Ｚ動作電極４）が構成さ
れている。そして、Ｘ，Ｙ動作電極３は筐体１固定側に
構成されている。Ｘ，Ｙ動作電極３とＺ動作電極の間
（Ｘ，Ｙ動作電極３の境界より先）に位置し、圧電素子
２の内側に、保持部材５を介してレーザー６、レンズ７
が接着固定されている。本実施例ではレーザーに半導体
レーザー（赤色）をもちいた。圧電素子２の先端には保
持部材８があり、バネ要素保持部材９を介してバネ要素
１０が固定されている。例えば磁力による固定が用いら
れる。また、レーザー６やレンズ７を除いた、光検出素
子１１やミラー１２からなる変位検出部１３が構成され
ている。レーザー６から照射されたレーザー光はレンズ
７を通り、バネ要素１０にあたり反射光はミラー１２を
介して光検出素子１１に照射されるようになっている。
光検出素子１１の位置はネジ１４をもちいて調整可能に
なっている。そして、変位検出部１３とは反対側に圧電
素子、レーザー、光検出素子関連の配線をまとめたコネ
クタ１５が構成されている。

【００１５】図２は第二実施例を示した図である。基本
構成の考えは第一実施例と同じであるが、組立性を考慮
して、面内動作をするＸ，Ｙ動作用圧電素子２１と鉛直
動作をするＺ動作用圧電素子２２の２体構成にしてい
る。Ｘ，Ｙ動作用圧電素子２１とＺ動作用圧電素子２２
は図３（ａ），（ｂ）に示されるように、中空円筒型を
しており、配線のし易さを考慮して折り返しを有する折
り返し内部電極３１、３２とおのおのＸ，Ｙ動作電極３
３、Ｚ動作電極３４からなる。筐体２３にＸ、Ｙ動作用
圧電素子２１が固定されている。Ｘ，Ｙ動作用圧電素子
２１とＺ動作用圧電素子２２の間に、保持部材２４を介
してレーザー６、レンズ２５が接着固定されている。
Ｘ，Ｙ動作用圧電素子２１に保持部材２４が接着固定さ
れ、さらに保持部材２４にＺ動作用圧電素子２２が接着
固定されている。Ｚ動作用圧電素子２２の先端には保持
部材２６があり、バネ要素保持部材９を介してバネ要素
１０が固定されている。例えば磁力による固定が用いら
れる。また、レーザー６やレンズ２５を除いた、変位検
出部材として、光検出素子１１は光検出素子保持部材２
７を介して筐体２３側に磁力で固定されている。そして
矢印Ａのように位置調整が可能になっている。また、光
学顕微鏡等の手段を用いてバネ要素１０を直上から観察
できるようにハーフミラーとなるビームスピリッタ（Ｂ
Ｓ）２８がビームスピリッタ保持部材２９を介して筐体
２３に固定されている。当然のことながら、Ｚ動作用圧
電素子２２とバネ要素保持部材９とをつなぐ部材である
保持部材２６とは接しておらず、圧電素子の三次元動作
の障害にならないようになっている。そして、第一実施
例と同様に圧電素子、レーザー、光検出素子関連の配線
をまとめたコネクタ１５が構成されている。

【００１６】

【発明の効果】以上示した構成にすることで、追従性の
高いプロ−ブ顕微鏡用微動機構が構成でき、この微動機
構を用いることで、走査速度が速く、しかも、的確に試
料表面状態を表示できるプロ−ブ顕微鏡が構成できると
いう効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例の微動機構の構成を示す図
である。

【図２】本発明の第二実施例の微動機構の構成を示す図
である。

【図３】（ａ）は、本発明の第二実施例の微動機構に用
いている面内動作用圧電素子の構造を示す図、（ｂ）
は、本発明の第二実施例の微動機構に用いている鉛直動
作用圧電素子の構造を示す図である。

【図４】従来の微動機構を示しす図である。

【図５】変位検出部の一部を圧電素子の根元側に設けた
微動機構を示す図である。

【図６】中空円筒状の圧電素子の形状を示す図である。

【図７】中空円筒状の圧電素子の面内動作を示す図であ
る。

【符号の説明】

１、２３、４１、５１ 筐体 ２、４２、５２ 圧電素子 ３、３３、６２ Ｘ，Ｙ動作電極 ４、３４、６３ Ｚ動作電極 ５、８、２４、２６ 保持部材 ６、４３、５３ レーザー ７、２５、４４、５４ レンズ ９ バネ要素保持部材 １０ バネ要素 １１、４５、５５ 光検出素子 １２ ミラー １３、４６ 変位検出部 １４ ネジ １５ コネクタ ２１ Ｘ，Ｙ動作用圧電素子 ２２ Ｚ動作用圧電素子 ２７ 光検出素子保持部材 ２８ ビームスピリッタ（ＢＳ） ２９ ビームスピリッタ保持部材 ３１、３２、６１ 折り返し内部電極

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料と試料から受ける原子間力及び磁気
   力等の物理量を検出する機構を３次元的に相対運動させ
   る、粗い位置決め的な粗動機構及び微細な位置決め的な
   微動機構と、前記試料と前記原子間力及び磁気力等の物
   理量を検出する機構間を一定の距離に保つ制御手段と、
   設置環境からくる装置への振動伝達を低減させる除振機
   構と、装置全体を制御する制御部及びコンピュータを有
   し、前記物理量を検出する機構を前記微動機構側に配置
   した構成からなる、試料表面の形状及び状態を観察する
   プロ−ブ顕微鏡における、前記物理量を検出する機構が
   バネ要素および光学部品（レ−ザ−、レンズ、光検出素
   子）からなり、前記バネ要素側を試料表面に対し、三次
   元（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に走査する微動機構において、固定端
   側に面内（Ｘ，Ｙ）に動作する部分を設け、前記面内
   （Ｘ，Ｙ）に動作する部分の先に鉛直方向（Ｚ）に動作
   する部分を配置し、前記面内（Ｘ，Ｙ）に動作する部分
   と前記鉛直方向（Ｚ）に動作する部分の境にレ−ザ−お
   よびレンズ系を保持させ、前記鉛直方向（Ｚ）に動作す
   る部分の先にバネ要素を設けた構成にしたことを特徴と
   する微動機構。
2. 【請求項２】 前記三次元（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に走査する微
   動機構において、面内（Ｘ，Ｙ）に動作する部分と鉛直
   方向（Ｚ）に動作する部分を２部品で構成し、前記面内
   動作用部品側にレ−ザ−およびレンズ系を保持させ、次
   に鉛直方向（Ｚ）に動作する部分を構成し、前記鉛直方
   向（Ｚ）に動作する部分の先にバネ要素を設けた構成に
   したことを特徴とする請求項１に記載の微動機構。
3. 【請求項３】 前記面内（Ｘ，Ｙ）に動作する部分と鉛
   直方向（Ｚ）に動作する部分が印加電圧により変形（伸
   縮）する圧電素子を用いたことを特徴とする請求項１ま
   たは２に記載の微動機構。
4. 【請求項４】 前記面内（Ｘ，Ｙ）に動作する部分と鉛
   直方向（Ｚ）に動作する部分が中空円筒状の圧電素子か
   らなることを特徴とする請求項１または２に記載の微動
   機構。
5. 【請求項５】 光検出素子を鉛直方向（Ｚ）に動作する
   部分に構成したことを特徴とする請求項１または２に記
   載の微動機構
6. 【請求項６】 光検出素子を微動機構の筐体に構成した
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の微動機構。
7. 【請求項７】前記面内（Ｘ，Ｙ）に動作する部分と前記
   鉛直方向（Ｚ）に動作する部分の境に構成されるレ−ザ
   −光源として光ファイバ−を用いてレ−ザ−光源を導い
   た構成にしたことを特徴とする請求項１または２に記載
   の微動機構。