JPH11230973A

JPH11230973A - チップ保持機構

Info

Publication number: JPH11230973A
Application number: JP3296798A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Ito; 修一伊東; Akitoshi Toda; 明敏戸田
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1998-02-16
Filing date: 1998-02-16
Publication date: 1999-08-27

Abstract

(57)【要約】【課題】カンチレバーチップを短時間で交換できる、ゴ
ミを発生させることのない、軽量なチップ保持機構を提
供する。【解決手段】圧電チューブスキャナー１２０はベース１
０２に立てられた支柱１０８に取り付けられたアーム１
１０に支持され、その下端にはカンチレバー変位測定用
センサーユニット１３０を介してチップ保持部材１５０
が固定されている。チップ保持部材１５０は、カンチレ
バーチップ１６０を受ける当て付け面１５４を有し、こ
れを通る貫通孔１５２が形成されている。貫通孔１５２
は、カンチレバー変位測定用センサーユニット１３０に
設けられた通路１３２、圧電チューブスキャナー１２０
の内部空間１２２、アーム１１０に開けられた貫通孔１
１２を介して、チューブ１８２に連絡しており、チュー
ブ１８２は、バルブ１８４とチューブ１８６を介して真
空ポンプ１８８に接続されている。

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
微鏡のカンチレバーチップを保持するチップ保持機構に
関する。

【０００２】

【従来の技術】特開昭６２−１３０３０２号には、Binn
igとRohrerらにより発明された走査型トンネル顕微鏡
（STM; Scanning Tunneling Microscope）におけるサー
ボ技術を始めとする要素技術を利用しながら、ＳＴＭで
は測定し難かった絶縁性の試料を原子オーダーの精度で
観察することのできる顕微鏡として原子間力顕微鏡（AF
M;Atomic Force Microscope）が提案されている。

【０００３】ＡＦＭはＳＴＭに類似した構造を持ち、走
査型プローブ顕微鏡の一つとして位置づけられる。ＡＦ
Ｍでは、カンチレバーの自由端に設けられた鋭い突起部
分（探針部）を試料の表面近くに配置し、探針先端と試
料表面の原子間に働く相互作用力により変位するカンチ
レバーの動きを電気的あるいは光学的にとらえて測定し
つつ、試料をＸＹ方向に走査して、カンチレバーの探針
部との位置関係を相対的に変化させることによって、試
料の凹凸情報などを三次元的にとらえている。

【０００４】そのようなＡＦＭで用いられるカンチレバ
ーとしては、T.R.Albrechtらが半導体ＩＣ製造プロセス
を応用して作製するＳｉＯ₂ （二酸化シリコン）カンチ
レバーチップを提案して以来（Thomas R. Albrecht, Ca
lvin F. Quate, "Atomic resolution Imaging of a non
conductor by Atomic force Microscopy", J.Appl.Phy
s,62(1987)2599 ）、この半導体ＩＣ製造プロセスを
応用して作製したカンチレバーチップが主流となってい
る。

【０００５】半導体ＩＣ製造プロセスを応用する利点の
一つは、マイクロメータ（μｍ）の高精度で非常に再現
性良く作製できることであり、別の利点はバッチプロセ
スで作製することにより、コスト的にも優れたものを作
製できることである。

【０００６】半導体プロセスを利用して作製されるカン
チレバーチップは、カンチレバーと、その先端に作製さ
れる鋭く尖った探針と、カンチレバーを片持ちに支持す
る支持部とから成り、カンチレバーと探針は単結晶シリ
コンや窒化シリコンで作られ、支持部は単結晶シリコン
やガラスで作られている。

【０００７】カンチレバーの形状は短冊型や三角形型
で、概略の寸法は、長さ１００μｍから３５０μｍ、幅
２０μｍから５０μｍ、厚さ０．３μｍから６μｍであ
る。探針はピラミッド形状や四面体形状で、高さ３μｍ
から２０μｍである。また、支持部の概略の寸法は、長
さ３．５ｍｍ、幅１．５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ程度であ
る。

【０００８】カンチレバーチップは走査型プローブ顕微
鏡のチップ保持機構に固定され、試料表面と相対的に走
査される。チップ保持機構へのカンチレバーチップの固
定には、カンチレバーチップ自体を接着する手法や、ワ
イヤーや板ばねを用いて機械的に押さえる手法がよく用
いられている。

【０００９】また、カンチレバーチップを固定部材に予
め固定（プリマウント）し、この固定部材をチップ保持
機構に取り付けるプリマウント法と呼ばれる手法も用い
られる。このプリマウント方では、固定部材とチップ保
持機構の間の着脱に例えば磁石を利用しており、短時間
でカンチレバーの交換を可能にしている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】走査型プローブ顕微鏡
において、プローブ（カンチレバーチップ）は消耗品で
ある。探針は試料との接触により変形し易く、変形した
探針は正確な測定データの検出を不能にするため、カン
チレバーチップは頻繁に交換される。この交換は、高い
測定効率を実現するため、短時間で出来ることが望まし
い。

【００１１】カンチレバーチップを接着する手法は、接
着剤の硬化に時間を要するほか、接着剤を除去する手間
の時間もかかるため、カンチレバーチップの短時間の交
換を実現することは難しい。

【００１２】ワイヤーや板バネで押さえる手法は、接着
する手法に比べてカンチレバーチップの着脱を短時間で
行なえるが、カンチレバーチップを押さえるためのワイ
ヤーや板バネが探針と同じ側つまり試料側に位置し、カ
ンチレバーチップが試料に近接した場合に、ワイヤーや
板バネが試料を破壊してしまう恐れがあり好ましくな
い。

【００１３】また、カンチレバーチップを押さえる力
が、非常にもろく欠け易いガラスや単結晶シリコンから
成るカンチレバーチップの支持部の一箇所に集中的に加
わるため、着脱の際にゴミが発生し易い。

【００１４】プリマウント法は、機械的に押さえる手法
よりも更に短い時間でカンチレバーチップの着脱を行な
えるが、固定部材の分、コストが上昇するため、カンチ
レバーチップを頻繁に交換する測定にとっては好ましく
ない。

【００１５】また、固定部材の分、チップ保持機構の重
量も増してしまう。カンチレバーチップを移動させるこ
とで走査を行なうスタンドアロン型の走査型プローブ顕
微鏡は、測定できる試料の大きさを制限しないことか
ら、半導体ＩＣ作製工程におけるデバイスの出来上がり
検査によく利用されている。このような走査型プローブ
顕微鏡では、チップ保持機構の重量の増加は、走査機構
の共振周波数を低下させ、高い走査速度の実現を邪魔す
る要因となり、結果として高いスループットの実現を妨
げる。

【００１６】本発明は、このような現状に鑑みてなされ
たもので、その目的は、カンチレバーチップを短時間で
交換できる、ゴミを発生させない、軽量なチップ保持機
構を提供することである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明の走査型プローブ
顕微鏡用のカンチレバーチップを保持するチップ保持機
構は、カンチレバーチップが当て付けられる当て付け面
を備えたチップ保持部材と、チップ保持部材の当て付け
面で終端する流路と、流路に接続された吸引手段とを有
しており、吸引手段による吸引によりカンチレバーチッ
プがチップ保持部材に固定される。

【００１８】チップ保持機構は、好ましい一例において
は、チップ保持部材は走査手段に支持されており、流路
は走査手段の内部を通っている。また、別の好ましい一
例においては、チップ保持部材は走査手段に支持されて
おり、流路は走査手段に取り付けられた弾性体からなる
チューブを含んでいる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態について説明する。く第一の実施の形態＞本発明の第一の実施の形態のチッ
プ保持機構を備えた走査型プローブ顕微鏡（具体的には
原子間力顕微鏡）について説明する。

【００２０】図１（Ａ）に示されるように、試料１０６
は、ベース１０２の上に設けられた試料ステージ１０４
の上に載置される。ベース１０２に立てられた支柱１０
８には、圧電チューブスキャナー１２０を支持するアー
ム１１０が取り付けられている。圧電チューブスキャナ
ー１２０の下端にはカンチレバー変位測定用センサーユ
ニット１３０が固定されている。カンチレバー変位測定
用センサーユニット１３０の下側には、カンチレバーチ
ップ１６０を保持するチップ保持部材１５０が取り付け
られており、チップ保持部材１５０に保持されたカンチ
レバーチップ１６０は試料１０６の上方に支持される。

【００２１】図１（Ｂ）に示されるように、カンチレバ
ーチップ１６０は、支持部材１６２から片持ちに支持さ
れて延びているレバー部１６６を有し、その先端部下面
には試料１０６との間に発生する相互作用を感知するた
めの探針１６８が設けられている。レバー部１６６は、
試料１０６と探針１６８との間に発生する相互作用（原
子間力、磁気力、摩擦力、静電気等）の強さに応じた変
位を示し、この変位はカンチレバー変位測定用センサー
ユニット１３０によって測定される。

【００２２】カンチレバー変位測定用センサーユニット
１３０は光てこ方式の変位センサーであり、図１（Ａ）
に示されるように、測定光を射出するレーザ１３４と、
レーザ１３４からの光をコリメートするレンズ１３６
と、測定光をカンチレバーチップ１６０のレバー部１６
６へ導く反射プリズム１３８と、レバー部１６６からの
反射光に基づいてその変位量に対応した信号を出力する
フォトディテクタ１４０とを含んでいる。

【００２３】処理制御部１７０は、ＸＹ走査信号を生成
し、これを圧電チューブスキャナー１２０に供給して、
探針１６８と試料１０６の間でＸＹ走査を行なわせる一
方で、フォトディテクタ１４０からの信号に基づいてＺ
サーボ信号を作り出し、これを圧電チューブスキャナー
１２０に供給して、探針１６８と試料１０６の間隔を例
えば一定に保つように制御するとともに、ＸＹ走査信号
とＺサーボ信号に基づいて試料１０６の表面の凹凸像を
作成する。

【００２４】図１（Ｂ）に示されるように、カンチレバ
ーチップ１６０は、支持部１６２の上面に当て付け面１
６４を有しており、この当て付け面１６４は、チップ保
持部材１５０に形成された当て付け面１５４に当て付け
られる。

【００２５】図１（Ａ）と図１（Ｂ）から分かるよう
に、チップ保持部材１５０には、当て付け面１５４を通
る貫通孔１５２が形成されており、貫通孔１５２は、カ
ンチレバー変位測定用センサーユニット１３０に設けら
れた通路１３２を介して、圧電チューブスキャナー１２
０の内部空間１２２に連絡している。

【００２６】圧電チューブスキャナー１２０の内部空間
１２２は、アーム１１０に開けられた貫通孔１１２を介
して、チューブ１８２に連絡しており、チューブ１８２
は、バルブ１８４とチューブ１８６を介して真空ポンプ
１８８に接続されている。

【００２７】チップ保持部材１５０に当て付けられたカ
ンチレバーチップ１６０は、真空ポンプ１８８によって
吸引されることにより、チップ保持部材１５０に固定さ
れる。また、真空ポンプ１８８による吸引を中止するこ
とにより、チップ保持部材１５０に対するカンチレバー
チップ１６０の固定が解除される。

【００２８】つまり、本実施形態のチップ保持機構は、
カンチレバーチップ１６０が当てられる当て付け面１５
４を備えたチップ保持部材１５０と、カンチレバーチッ
プ１６０を吸引するための真空ポンプ１８８と、真空ポ
ンプ１８８に接続され、チップ保持部材１５０の当て付
け面１５４で終端した流路とを有しており、チップ保持
部材１５０の貫通孔１５２と、カンチレバー変位測定用
センサーユニット１３０に設けられた通路１３２と、圧
電チューブスキャナー１２０の内部空間１２２と、アー
ム１１０に開けられた貫通孔１１２は、この流路の一部
を構成している。

【００２９】本実施形態の装置は、カンチレバーチップ
の着脱を、プリマウント方式を採用した装置と同程度の
簡単さで行なうことができる。しかも、プリマウントチ
ップホルダーを使用しないので、その分の重量の増加を
伴なわない。その結果、プリマウント方式を採用した装
置と比較して、スキャナの共振周波数の低下が少なく、
従って高い走査速度を実現できる。

【００３０】また、カンチレバーチップを吸引により保
持するので、カンチレバーチップの支持部の一箇所に機
械的な力が集中することはなく、従って着脱の際にゴミ
が発生することもない。

【００３１】く第二の実施の形態＞次に、本発明の第二
の実施の形態のチップ保持機構を備えた走査型プローブ
顕微鏡について説明する。

【００３２】図２に示されるように、試料１０６の上方
に配置されるカンチレバーチップ１６０は、トライポッ
ド型の圧電アクチュエーター２１０に支持されたチップ
保持部材２２０に対して取り付けられる。

【００３３】トライポッド型の圧電アクチュエーター２
１０は、Ｌ字型形状をしたトライポッド固定フレーム２
０２の内側面２０４に略垂直に固定されたＸ方向用の積
層型圧電体２１２と、トライポッド固定フレーム２０２
の別の内側面２０６に略垂直に固定されたＹ方向用の積
層型圧電体２１４と、積層型圧電体２１２と積層型圧電
体２１４が共通に固定された立方体形状の圧電体固定部
材２１６と、圧電体固定部材２１６の下面に固定された
Ｚ方向用の積層型圧電体２１８とを備えており、このＺ
方向用の積層型圧電体２１８の下端にチップ保持部材２
２０が固定されている。

【００３４】図３に示されるように、チップ保持部材２
２０は、カンチレバーチップ１６０の当て付け面１６４
を受ける当て付け面２２４を有しており、この当て付け
面２２４に開口を持つ貫通孔２２０ａが形成されてい
る。貫通孔２２０ａは、積層型圧電体２１８に形成され
た貫通孔２１８ａに連絡し、貫通孔２１８ａは、圧電体
固定部材２１６に形成された直角に曲がった貫通孔２１
６ａに連絡し、貫通孔２１６ａは、積層型圧電体２１４
に形成された貫通孔２１４ａに連絡し、貫通孔２１４ａ
は、トライポッド固定フレーム２０２に形成された貫通
孔２０２ａに連絡している。

【００３５】貫通孔２０２ａには、図２に示されるよう
に、チューブ２８２が接続されており、チューブ２８２
は、バルブ２８４とチューブ２８６を介して真空ポンプ
に接続されている。

【００３６】チップ保持部材２２０に当て付けられたカ
ンチレバーチップ１６０は、真空ポンプ２８８によって
吸引されることで、チップ保持部材２２０に固定され
る。また、カンチレバーチップ１６０のチップ保持部材
２２０への固定は、真空ポンプ２８８による吸引を中止
することで解除される。

【００３７】つまり、本実施形態のチップ保持機構は、
カンチレバーチップ１６０が当てられる当て付け面２２
４を備えたチップ保持部材２２０と、カンチレバーチッ
プ１６０を吸引するための真空ポンプ２８８と、真空ポ
ンプ２８８に接続され、チップ保持部材２２０の当て付
け面２２４で終端した流路とを有しており、チップ保持
部材２２０の貫通孔２２０ａと、積層型圧電体２１８の
貫通孔２１８ａと、圧電体固定部材２１６の貫通孔２１
６ａと、積層型圧電体２１４の貫通孔２１４ａと、トラ
イポッド固定フレーム２０２の貫通孔２０２ａは、カン
チレバーチップ１６０を吸引するための、チップ保持部
材２２０の当て付け面２２４で終端した流路の一部を構
成している。

【００３８】なお、この流路は単なる貫通孔としてもよ
いが、流路をより密閉した状態とするために、流路内部
に弾性体から成る中空のチューブを設けることも効果的
である。例えば、このチューブとしては、シリコンチュ
ーブやラテックスチューブなどの柔軟な弾性体を用いる
ことが有効である。

【００３９】この装置には、第一の実施の形態と同様
に、カンチレバーチップ１６０のレバー部の変位を測定
する光てこ方式の変位センサーが設けられている。この
光センサーは、測定光を射出するレーザ２３２と、レー
ザ２３２からの光をコリメートするレンズ２３４と、測
定光をカンチレバーチップ１６０のレバー部１６６へ偏
向する反射ミラー２３８と、レバー部１６６からの反射
光を分離するハーフミラー２３６と、受光した光に基づ
いてレバー部１６６の変位量に対応した信号を出力する
フォトディテクタ２４０とで構成される。

【００４０】フォトディテクタ２４０の信号は図示しな
い処理制御部に入力される。この処理制御部は、、第一
実施形態の処理制御部１７０と同様の機能を持ち、ＸＹ
走査信号を生成し、これを圧電アクチュエーター２１０
に供給して、探針１６８と試料１０６の間でＸＹ走査を
行なわせる一方で、フォトディテクタ２４０からの信号
に基づいてＺサーボ信号を作り出し、これを圧電アクチ
ュエーター２１０に供給して、探針１６８と試料１０６
の間隔を制御するとともに、ＸＹ走査信号とＺサーボ信
号に基づいて試料１０６の表面の凹凸像を作成する。

【００４１】本実施形態の装置は、カンチレバーチップ
の着脱を、プリマウント方式を採用した装置と同程度の
簡単さで行なうことができる。しかも、プリマウントチ
ップホルダーを使用しないので、その分の重量の増加を
伴なわない。その結果、プリマウント方式を採用した装
置と比較して、スキャナの共振周波数の低下が少なく、
従って高い走査速度を実現できる。

【００４２】また、カンチレバーチップを吸引により保
持するので、カンチレバーチップの支持部の一箇所に機
械的な力が集中することはなく、従って着脱の際にゴミ
が発生することもない。

【００４３】く第三の実施の形態＞続いて、本発明の第
三の実施の形態のチップ保持機構を備えた走査型プロー
ブ顕微鏡について説明する。本実施形態の装置は、若干
の違いを除いては、第一の実施の形態と同じである。

【００４４】図４（Ａ）に示されるように、チップ保持
部材１５２に形成された貫通孔１５２はチューブ１９２
によってバルブ１８４に接続されている。このため、図
１（Ａ）に示されるようなアーム１１０に形成された貫
通孔１１２やカンチレバー変位測定用センサーユニット
１３０に設けられた通路１３２は備えていない。

【００４５】チューブ１９２は、シリコンチューブやラ
テックスチューブなどの柔軟な弾性体から成り、圧電チ
ューブスキャナー１２０の外側面に沿って延びている。
チューブ１９２は圧電チューブスキャナー１２０と共に
シリコン樹脂１９４で覆われており、これにより圧電チ
ューブスキャナー１２０の動作を妨げることなく取り付
けられている。

【００４６】図４（Ｂ）に示されるように、カンチレバ
ーチップ１６０は、チューブ１９２を介した真空ポンプ
１８８の吸引によって、チップ保持部材１５０に固定さ
れる。また、真空ポンプ１８８の吸引を中止することに
より、チップ保持部材１５０に対するカンチレバーチッ
プ１６０の固定が解除される。

【００４７】本実施形態のチップ保持機構は、カンチレ
バーチップ１６０を受ける当て付け面１５４を備えたチ
ップ保持部材１５０と、カンチレバーチップ１６０を吸
引するための真空ポンプ１８８と、真空ポンプ１８８に
接続され、チップ保持部材１５０の当て付け面１５４で
終端した流路とを有しており、この流路の一部をチュー
ブ１９２が構成している。

【００４８】本実施形態の装置は、第一の実施の形態と
同様に、カンチレバーチップの着脱を、プリマウント方
式を採用した装置と同程度の簡単さで行なうことができ
る。しかも、プリマウントチップホルダーを使用しない
ので、その分の重量の増加を伴なわない。その結果、プ
リマウント方式を採用した装置と比較して、スキャナの
共振周波数の低下が少なく、従って高い走査速度を実現
できる。

【００４９】また、カンチレバーチップを吸引により保
持するので、カンチレバーチップの支持部の一箇所に機
械的な力が集中することはなく、従って着脱の際にゴミ
が発生することもない。

【００５０】また、第一の実施の形態との相違部分を成
す、圧電チューブスキャナー１２０の外周面を覆ってい
るシリコン樹脂１９４は、振動ダンパーとして機能し、
圧電チューブスキャナー１２０の共振ピークのＱ値を低
下させる。これにより、圧電チューブスキャナー１２０
を更に高速で走査することを可能にする。

【００５１】また、このシリコン樹脂１９４を圧電チュ
ーブスキャナー１２０の内周面に設けてもよい。この場
合、シリコン樹脂１９４を外周面に設けたときと比較し
て、圧電チューブスキャナー１２０の径を増大させるこ
とがなく、振動ダンパーとして機能し、同様の効果を得
ることができる。

【００５２】上述した実施の形態では、本発明のチップ
保持機構を原子間力顕微鏡に適用した例について述べた
が、本発明の適用対象は、これに限らず、他の走査型プ
ローブ顕微鏡であっても一向に構わない。また、マイク
ロマシニングやマイクロフファブリケーションにより作
製されるチップの固定に応用することも可能である。

【００５３】

【発明の効果】本発明によれば、カンチレバーチップそ
のものを吸引してチップ保持部材に固定するのチップ保
持機構が得られる。このチップ保持機構は、走査機構に
支持される部分が軽量であり、カンチレバーチップの交
換を短時間で行なえ、ゴミを発生させることもない。従
って、測定のスループットの向上が実現される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施の形態のチップ保持機構を
備えた走査型プローブ顕微鏡を示している。

【図２】本発明の第二の実施の形態のチップ保持機構を
備えた走査型プローブ顕微鏡を示している。

【図３】図２のトライポッド型の圧電アクチュエーター
の内部を通る流路を示している。

【図４】本発明の第三の実施の形態のチップ保持機構を
備えた走査型プローブ顕微鏡を示している。

【符号の説明】

１１２貫通孔１２２圧電チューブスキャナーの内部空間１３２通路１５０チップ保持部材１５２貫通孔１５４当て付け面１８２チューブ１８４バルブ１８６チューブ１８８真空ポンプ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】走査型プローブ顕微鏡用のカンチレバー
チップを保持するチップ保持機構であって、カンチレバーチップが当て付けられる当て付け面を備え
たチップ保持部材と、チップ保持部材の当て付け面で終端する流路と、流路に接続された吸引手段とを有しており、吸引手段に
よる吸引によりカンチレバーチップがチップ保持部材に
固定される、チップ保持機構。
【請求項２】請求項１において、チップ保持部材は走査手段に支持されており、流路は走査手段の内部を通っている、チップ保持機構。
【請求項３】請求項１において、チップ保持部材は走査手段に支持されており、流路は走査手段に取り付けられた弾性体からなるチュー
ブを含んでいる、チップ保持機構。