JP3000491B2 - カンチレバーユニット及びこれを用いた情報処理装置、原子間力顕微鏡、磁力顕微鏡 - Google Patents

カンチレバーユニット及びこれを用いた情報処理装置、原子間力顕微鏡、磁力顕微鏡

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、カンチレバーとその変
位量の検出手段を一体集積化して小型化を図ったカンチ
レバーユニット、及びこのカンチレバーユニットを用
い、試料表面の三次元形状をナノメートルスケールで測
定する原子間力顕微鏡（ＡｔｏｍｉｃＦｏｒｃｅ Ｍｉ
ｃｒｏｓｃｏｐｅ，以下「ＡＦＭ」と記す）、及び磁力
顕微鏡に関するものである。さらに本発明は上記ＡＦＭ
を利用した情報処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】ＡＦＭは、試料表面に対して１ｎｍ以下
の距離にまで探針を接近させた時に試料と探針間に働く
原子間力を探針を支持しているカンチレバー（弾性体）
の撓む量（変位量）から検出し、この原子間力を一定に
保つように試料と探針との距離を制御しながら試料表面
を走査することにより試料表面の三次元形状を１ｎｍ以
下の分解能で観察するものである（Ｂｉｎｎｉｇ ｅ
ｔ．ａｌ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．５６，９３０
（１９８６））。ＡＦＭによると、走査型トンネル顕微
鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍｉｃｒ
ｏｓｃｏｐｅ，以下「ＳＴＭ」と記す）のように、試料
が導電性である必要がなく、絶縁性試料、特に半導体レ
ジスト面や生体高分子などの表面を原子、分子のオーダ
ーで観察できるため、広い応用が期待されている。
【０００３】図５、図６に従来のＡＦＭを示す。ＡＦＭ
は基本的には試料表面に対向させる探針１１１、及びこ
れを支持するカンチレバー１０７、試料と探針間に働く
原子間力によるカンチレバーの変位量検出手段、探針に
対する試料の相対的な位置を三次元で制御する手段から
構成される。
【０００４】従来のカンチレバーの変位量検出手段とし
ては、図５に示すようにカンチレバー１０７背後から光
を照射し、その反射光スポットの位置のずれ量から求め
る光てこ法や、図６に示すような、カンチレバー１０７
の背後に導電性探針６０２を接近して配置し、カンチレ
バー１０７と導電性探針６０２の間に流れるトンネル電
流を一定に保てるように導電性探針の位置を制御し、そ
の制御量から求めるトンネル電流法がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記光
てこ法では、光線をカンチレバー裏面に当てるための調
整治具、レンズ５０２やミラーなどの光学部品、２分割
フォトダイオード５０４の位置調整治具、トンネル電流
法ではカンチレバー裏面に対する導電性探針６０２の位
置調整治具等カンチレバー変位量検出手段の機械的構成
が複雑で大きくなってしまう。そのため、床振動や音響
振動、温度ドリフトなどの外乱の影響でその機械的構成
に位置ずれが生じたり、剛性の低下による共振が起こっ
たりして、カンチレバー変位量検出分解能に限界を生じ
ていた。
【０００６】
【課題を解決するための手段及び作用】本発明は、カン
チレバー変位量検出手段を集積化し、カンチレバーと一
体化し、外乱の影響を受けにくいカンチレバーユニット
を提供するものである。
【０００７】 さらに、本発明はこの新規なカンチレバ
ーユニットを用い、相対的位置合わせが不要で外乱の影
響を受けにくい、情報処理装置、ＡＦＭ、磁力顕微鏡を
提供するものである。
【０００８】 すなわち、本発明の第１は、探針を支持
するカンチレバーと、該カンチレバーを支持する基板
と、該カンチレバー及び基板上に形成され、互いに直交
する第１の光導波経路と第２の光導波経路を有する薄膜
光導波路と、該第１の光導波経路の一端に設けられ、該
第１の光導波経路に光束を導入する光源と、該第１の光
導波経路と上記第２の光導波経路の交点に位置し且つ上
記基板上に設けられたビームスプリッタと、上記第１の
光導波経路の他端であって上記カンチレバーの自由端面
に設けられた第１の反射ミラーと、上記第２の光導波経
路の一端に設けられた光センサーと、該第２の光導波経
路の他端に設けられた第２の反射ミラーとを備え、上記
第１の光導波経路を通り第１の反射ミラーで反射された
光束と、上記ビームスプリッタで分離され、上記第２の
光導波経路を通り第２の反射ミラーで反射された光束と
を、上記ビームスプリッタにより再び合成し、上記光セ
ンサーに導き、該光センサーが受光する光束の強度変化
により上記カンチレバーの変位を検知することを特徴と
するカンチレバーユニットである。また、本発明の第２
は第１のカンチレバーユニットを用いた情報処理装置で
あり、第３は第１のカンチレバーユニットを用いた原子
間力顕微鏡であり、第４は第１のカンチレバーユニット
を用いた磁力顕微鏡である。
【０００９】 本発明においては、光集積回路の技術を
応用し、変位量検出手段として、光源及び光導波路、導
波形光路変換素子、光検出器を光集積化し、カンチレバ
ーと一体化することにより、従来のＡＦＭで使用されて
いた変位量検出手段に比べてその大きさが５０分の１以
下と小型化できる。従って、該手段の共振周波数を数１
０倍以上に上げることができるため、外乱の影響を受け
にくいものとなる。
【００１０】具体的には光源、光導波路、光導波中の光
を集光するためのレンズ、光分割又は合成のためのビー
ムスプリッタ、進行方向を変更するためのミラー、導波
路外に光を取り出すためのカップラー等の光部品、光量
検出のためのフォトダイオード、光電流の増幅回路や信
号処理回路を集積化し、カンチレバーと一体化する。
【００１１】
【実施例】以下、実施例をもとに、本発明をさらに詳細
に説明する。
【００１２】実施例１図１に本発明のカンチレバーユニ
ットの一例の構成を示す。
【００１３】図１において、１０１は薄膜光導波路、１
０２はＳｉＯ2、１０３はＳｉ基板、１０４は半導体レ
ーザ、１０５はフレネルレンズ、１０６はグレーティン
グビームスプリッタ、１０７はカンチレバー、１０８は
反射ミラーａ、１０９は反射ミラーｂ、１１０はフォト
ダイオード、１１１は探針、１１２は半導体レーザ駆動
回路、１１３は増幅回路である。
【００１４】 本発明においては、薄膜光導波路１０１
は第１の光導波経路と、該第１の光導波経路に直交する
第２の光導波経路を有している。図１において、第１の
光導波経路は、半導体レーザ１０４からフレネルレンズ
１０５及びグレーティングビームスプリッタ１０６を経
てカンチレバー１０７の自由端面に設けられた第１の反
射ミラーａ１０８に至る経路であり、第２の光導波経路
は、第２の反射ミラーｂ１０９からグレーティングビー
ムスプリッタ１０６を経てフォトダイオード１１０に至
る経路である。本実施例においては、表面に薄膜光導波
経路１０１を設けたＳｉＯ2 ／Ｓｉ基板１０３の一方の
端面には半導体レーザ１０４が接合されており、レーザ
光を光導波路１０１中の第１の光導波経路に導入する。
導入されたレーザ光はフレネルレンズ１０５によって平
行光に変換された後、グレーティングビームスプリッタ
１０６によって２方向に分けられる。第１の光導波経路
を直進する一方の光Ａは、Ｓｉ基板１０３の他端面に設
けられているカンチレバー１０７表面の光導波路中を通
り、カンチレバー１０７の自由端面に作られている反射
ミラーａによって反射し、再びカンチレバー１０７表面
の光導波路を通り、再びグレーティングビームスプリッ
タ１０６に入射する。
【００１５】 また、グレーティングビームスプリッタ
１０６で進路を９０°曲げられ第２の光導波経路に導入
された他方の光Ｂは反射ミラーｂ１０９で反射した後、
同じ進路を逆方向に戻って再びグレーティングビームス
プリッタ１０６に入射する。２つの光はグレーティング
ビームスプリッタ１０６で合成され、その合成光Ｃがフ
ォトダイオード１１０で検知される。今カンチレバー１
０７上に作成された探針１１１が原子間力を検出してカ
ンチレバー１０７先端が図中Ｚ方向に撓むとその変位量
ΔＺに応じてカンチレバー１０７表面の光導波路中に歪
みが生じ、光導波路の屈折率が変化する。この屈折率変
化をΔｎとするとΔｎ＝ｃΔｎ（ここでｃは定数）であ
り、カンチレバー１０７表面上を通る光Ａと反射ミラー
１０９によって反射される光Ｂとの間の光路差に変化２
ＬΔｎ（ここでＬはカンチレバーの長さ）を生じ、合成
光Ｃの光強度が変化する。従って、この光強度の変化を
検知することにより、カンチレバー１０７先端のＺ方向
の変位量ΔＺが検知できる。この光強度変化信号を増幅
回路１１３によって増幅し、Ｚ方向変位量信号とする。
ここでカンチレバー１０７のＺ方向の弾性定数をｋとす
ると、探針１１１が検知した原子間力の大きさｆはｆ＝
ｋΔＺの式から求められる。
【００１６】さて、このような光集積化カンチレバーユ
ニットの作成法について説明する。
【００１７】Ｓｉ基板上に通常のシリコンプロセスによ
って、ＰｉＮフォトダイオードを構成した後、上部にＬ
ＰＣＶＤ法により厚さ０．１μｍの保護用Ｓｉ3Ｎ4膜を
形成する。次に他の開口部に熱酸化により厚さ０．５μ
ｍのＳｉＯ2膜を形成した後、プラズマエッチングによ
りＳｉ3Ｎ4膜を取り除く。続いて真空蒸着法によりＳｉ
Ｏ2膜上に厚さ１μｍのＡｓ2Ｓ3薄膜導波路を作成し、
電子ビーム照射による屈折率変化を利用して導波路中に
フレネルレンズ及びグレーティングビームスプリッタを
作成する。ここで、カンチレバー形状をパターニング
後、基板裏面からＫＯＨ液によって異方性エッチングを
行い、カンチレバーを形成、電子ビームデポジション法
によってカンチレバー先端に探針を設ける。チップにへ
き開後、端面及びカンチレバー先端の側面にＡｌ等の金
属を蒸着して反射ミラーを形成し、他の端面に半導体レ
ーザを接合する。
【００１８】次に図２を用いて図１に示した光集積化カ
ンチレバーユニットを用いて構成される本発明のＡＦＭ
を説明する。図１に示したカンチレバーユニット２０１
に対向して置かれた試料２０２をＸＹＺ駆動素子２０３
によってＺ方向にカンチレバー上の探針１１１に対して
１ｎｍ以下の距離まで近接させる。ここで探針１１１と
試料２０２表面との間に働く原子間力によってカンチレ
バーに撓みが生じるが、この撓み量を一定にするように
（即ち原子間力を一定にするように）Ｚ方向フィードバ
ック信号をＸＹＺ駆動素子２０３に加え、探針１１１と
試料２０２との間隔を制御する。さらにコンピュータ２
０５からの走査信号を元にＸ方向走査信号回路２０６、
Ｙ方向走査信号回路２０７によってそれぞれＸ方向走査
信号、Ｙ方向走査信号をＸＹＺ駆動素子２０３に加え、
探針２０４に対して相対的に試料２０２をＸＹＺ次元方
向に走査する。この時、試料表面の凹凸に応じてカンチ
レバーの撓み量を一定にするためのＺ方向フィードバッ
ク信号から凹凸の深さ、高さを検知することができる。
コンピュータ２０５において、試料表面の凹凸の２次元
分布データを取得し、これを表示装置２０９に表示す
る。尚、探針材料としてＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉなどの磁性体
材料を用いると、磁力顕微鏡として磁性試料表面磁区構
造を観察することができる。
【００１９】 参考例 図３は、本発明の参考例の光集積化カンチレバーユニッ
トの構成を示す図である。図３において、表面に薄膜光
導波路１０１を設けたＳｉＯ2 ／Ｓｉ基板（１０２’／
１０３’）の一方の端面に接合された半導体レーザ１１
２からレーザ光を光導波路１０１中に導入する。導入さ
れたレーザ光はフレネルレンズ１０５によって平行光に
変換された後、反射ミラーｃ３０６によって反射し、３
０７のグレーティングカップラーａに入射する。グレー
ティングカップラーａ３０７において、一部の光はＡで
示すように光導波路外に取り出され、カンチレバー１０
７裏面に反射後、グレーティングカップラーｂ３０９で
再び光導波路中に戻り、光導波路中をそのまま伝播して
きた光Ｂと合成される。その合成光Ｃが反射ミラーｄ３
１０で反射後、フォトダイオード１１０で検知される。
今、カンチレバー１０７上に作成された探針１１１が原
子間力を検出してカンチレバー１０７先端が図中Ｚ方向
に撓むとその変位量ΔＺに応じて、グレーティングカッ
プラーａ３０７から外に取り出された光Ａがグレーティ
ングカップラーｂ３０９によって再び光導波路中に戻る
までの光路長が変化する。この変化をΔＥとすると、光
導波路から外に取り出された光Ａと光導波路中をそのま
ま伝播してきた光Ｂとの間の光路差に変化ΔＥ＝２（１
−ｎ・ｓｉｎθ）ΔＺ／ｃｏｓθ（ここでθは光導波路
面法線と出射光Ａとのなす角、ｎは光導波路の屈折率）
が生じ、合成光Ｃの光強度が変化する。従って、この光
強度の変化を検知することにより、カンチレバー１０７
先端のＺ方向の変位量ΔＺが検知できる。この光強度変
化信号を増幅回路１１３によって増幅し、Ｚ方向変位量
信号とする。ここでカンチレバー１０７のＺ方向の弾性
定数をｋとすると探針１１１が検知した原子間力の大き
さｆはｆ＝ｋΔＺから求められる。
【００２０】 次に上記参考例の光集積化カンチレバー
ユニットの作成法について説明する。
【００２１】Ｓｉ基板上に通常のシリコンプロセスによ
ってＰｉＮフォトダイオードを構成した後、上部にＬＰ
ＣＶＤ法により厚さ０．１μｍの保護用Ｓｉ3Ｎ4膜を形
成する。次に他の開口部に熱酸化により厚さ２．５μｍ
のＳｉＯ2膜を形成した後プラズマエッチングによりＳ
ｉＯ2膜を取り除く。続いて、高周波スパッタ法によ
り、ＳｉＯ2膜上にコーニング社７０５９ガラスを材料
とした厚さ２μｍのガラス薄膜導波路を作成し、イオン
交換やイオン注入による屈折率変化を利用して、導波路
中にフレネルレンズ及びグレーティングカップラーを作
成する。ここで別のＳｉ基板をパターニング、異方性エ
ッチングにより形成したカンチレバーを有するチップを
陽極接合により、ガラス薄膜導波路上に接合する。チッ
プにへき開研磨後、端面にＡｌ等の金属を蒸着して反射
ミラーを形成し、他の端面に半導体レーザを接合する。
【００２２】 さらに、図４を参照しつつ、本発明の情
報処理（記録／再生）装置の実施例について説明する。
本実施例においても、先の図２と同様の装置構成（不図
示）を採用している。図４において、探針１１１を導電
性材料で形成し、その先端が図２の試料２０２に相当す
る情報記録媒体（不図示）表面の所定位置に近接するよ
うにカンチレバーユニットを配置する。 記録用電圧印加
回路４０１によって、探針１１１と上記媒体との間に記
録用電圧を印加し、上記媒体の所定位置にビットを形成
する。 尚、本発明では、上記媒体として、その局所に流
れるトンネル電流により表面形状変化を起こすものを採
用した。 さて、このようにして上記媒体に記録されたビ
ット（情報）を再生するには、次の操作を行なう。探針
１１１先端を上記媒体表面に近接・配置し、図中ｘｙ方
向に探針１１１を走査させる。しかして、探針１１１先
端が上記ビットに対向すると、そのビット形状に応じて
探針先端が力を受け、カンチレバー１０７に撓みが生ず
る。この撓みを、前述した本発明のカンチレバーユニッ
トにおける変位量検出手段を以て検出し、再生信号を得
ることができる。 上述のとうり、本実施例では、ＳＴＭ
の原理を応用して情報の記録を行ない、更には、ＡＦＭ
の原理を応用して前記情報の再生を行なう装置について
説明した。
【００２３】
【発明の効果】以上説明したように、カンチレバー変位
量検出系を集積化し、カンチレバーと一体化することに
より、カンチレバーと変位量検出系との相対位置合わ
せが不要になり、操作性が向上し、装置全体が小型化
でき、外乱の影響を受けにくくなるので、検出分解能が
向上し、より高精度、高分解能のＡＦＭによる試料表面
の三次元形状の測定が可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例である光集積化カンチレ
バーユニットの構成図である。
【図２】本発明の第１の実施例である光集積化カンチレ
バーユニットを用いた原子間力顕微鏡の構成図である。
【図３】 本発明の参考例である光集積化カンチレバー
ユニットの構成図である。
【図４】 本発明の参考例である光集積化カンチレバー
ユニットを用いた情報処理装置の構成図である。
【図５】原子間力顕微鏡におけるカンチレバー変位量検
出系の従来例を示す図である。
【図６】原理間力顕微鏡におけるカンチレバー変位量検
出系の従来例を示す図である。
【符号の説明】
１０１ 薄膜光導波路 １０２、１０２’ ＳｉＯ2 １０３、１０３’ Ｓｉ基板 １０４ 半導体レーザ １０５ フレネルレンズ １０６ グレーティングビームスプリッタ １０７ カンチレバー １０８ 反射ミラーａ １０９ 反射ミラーｂ １１０ フォトダイオード １１１ 探針 １１２ 半導体レーザ駆動回路 １１３ 増幅回路 ２０１ カンチレバーユニット ２０２ 試料 ２０３ ＸＹＺ駆動素子 ２０５ コンピュータ ２０６ Ｘ方向走査信号回路 ２０７ Ｙ方向走査信号回路 ２０８ Ｚ方向フィードバック信号回路 ２０９ 表示装置 ３０６ 反射ミラーｃ ３０７ グレーティングカップラーａ ３０９ グレーティングカップラーｂ ３１０ 反射ミラーｄ ３１０ 反射ミラーｄ ３１７ Ａｌ配線 ４０１ 記録用電圧印加回路 ５０１ レバーホルダー ５０２ レンズ ５０３ ＸＹＺ駆動素子 ５０４ ２分割フォトダイオード ６０１ ピエゾ素子 ６０２ 導電性探針
フロントページの続き (72)発明者 宮▲崎▼ 俊彦 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 八木 隆行 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 畑中 勝則 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (56)参考文献 特開 平４−83137（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−162340（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−90853（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G11B 9/00 G01B 21/30 G01N 27/72 G01N 37/00

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 探針を支持するカンチレバーと、該カン
    チレバーを支持する基板と、該カンチレバー及び基板上
    に形成され、互いに直交する第１の光導波経路と第２の
    光導波経路を有する薄膜光導波路と、該第１の光導波経
    路の一端に設けられ、該第１の光導波経路に光束を導入
    する光源と、該第１の光導波経路と上記第２の光導波経
    路の交点に位置し且つ上記基板上に設けられたビームス
    プリッタと、上記第１の光導波経路の他端であって上記
    カンチレバーの自由端面に設けられた第１の反射ミラー
    と、上記第２の光導波経路の一端に設けられた光センサ
    ーと、該第２の光導波経路の他端に設けられた第２の反
    射ミラーとを備え、上記第１の光導波経路を通り第１の
    反射ミラーで反射された光束と、上記ビームスプリッタ
    で分離され、上記第２の光導波経路を通り第２の反射ミ
    ラーで反射された光束とを、上記ビームスプリッタによ
    り再び合成し、上記光センサーに導き、該光センサーが
    受光する光束の強度変化により上記カンチレバーの変位
    を検知することを特徴とするカンチレバーユニット。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載のカンチレバーユニット
    を備えたことを特徴とする情報処理装置。
  3. 【請求項３】 請求項１に記載のカンチレバーユニット
    を備えたことを特徴とする原子間力顕微鏡。
  4. 【請求項４】 請求項１に記載のカンチレバーユニット
    を備えたことを特徴とする磁力顕微鏡。
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