JPH03259728A

JPH03259728A - 原子間力、摩擦力測定顕微鏡

Info

Publication number: JPH03259728A
Application number: JP2059632A
Authority: JP
Inventors: Toru Fujii; 透藤井
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1990-03-09
Filing date: 1990-03-09
Publication date: 1991-11-19
Anticipated expiration: 2013-04-02
Also published as: JP2734728B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、被測定物の表面形状と、測定時の摩擦力を測
定する原子間力、摩擦力測定顕微鏡に関するものである
。

［従来の技術］従来、この種の原子間力測定顕微鏡（ＡＦＭＡ　Ｌ　ｏ
　ｍ　ｉ　ｃ　　Ｆ　ｏ　ｒ　ｃ　ｅ　　Ｍ　ｉ　ｃ　
ｒ　ｏ　ｓ　ｃ　ｏ　ｐｅ）としては特開昭６２−１−
３０３０２号公報等か知られている。この原子間力測定
顕微鏡の基本原理は、被測定物の表面を尖点、ずなわち
触針によって走査し、表面形状を測定するもので、触針
を被測定物表面に限りなく近すけて、被測定物表面の原
子の電子雲と、触針の頂点の原子の電子雲とを接触させ
ると、これら原子間に反発性の原子間力が生し、この電
子間カによって前記触針が収り（＝Ｉけられている力検
出カンチレバーをたわませ、その変位量を測定すること
で、表面の三次元形状、すなわち凹凸画像を得るもので
ある。原Ｙ−間カはＩＱ−２６ニユ一１〜ン程度で非常
に小さいため、力検出カンチレバーと触針の質量は非常
に小さいことが要求される。そのため触針を含む力検出
カンチレバーの質量は１０−６Ｋｇ程度で、力検出カン
チレバーとしては厚さ２５μｍ、長さ０−８ｍｍ程度の
薄い金箔からなる板ばねが使用される。また、力検出カ
ンチレバーは、大きな撓みを得るためにしなやかである
ばかりが、外部振動による共振を防ぐため高い固有振動
数ｆ。（例：２ＫＨｚ＞を存することが要求される。触
針としてはダイヤモンド等が使用され、被測定物表面と
の接触圧を極めて小さくすることで、該触針の変形が極
めて少なく、したかって被測定物表面との接触面積も小
さくなる。この結果、被測定面の凹凸画像を１１−００
ｎ以下の高分解能で形成することができる。

第４図はこのような原子間力測定顕微鏡の従来例を示す
もので、これを概略説明すると、１−は被測定物、２は
力検出カンチレバー、３は触針、４は力検出カンチレバ
ー２の変位を検出する光てこ大変位検出器で、この変位
検出器４は、Ｈｅ−Ｎｅレーザ等の光源５と、光源５か
ら出た光ビームを力検出カンチレバー２の先端部上面に
導く光ファイバ６と、力検出カンチレバー２に当たって
反射した光ヒームを受光し、電気信号に変換する２分割
ディテクタ７とで構成されている。被測定物１の表面形
状の変化に伴い力検出カンチレバー２か上下方向に変位
すると、ディテクタ７の各受光素（−ｓＡ、８Ｂに入光
する光ビームの光量か変わるため、該受光素子８Ａ、８
Ｂの出力１１、■。

も変化し、これら両出力丁Ｉ、Ｔ２を差動増幅器９のプ
ラス端子とマイナス端子に入力して、その差電圧を収り
出し、撮像管に導くと、被測定物］の表面の凹凸画像が
得られる。

この場合、ＡＦＭ走査においては力検出カンチレバー２
を被測定物１に対して平行になるように水平に配置する
必要があるが、被測定物１に対して直交するよう立てて
配置し、その先端部下端縁に触針３を設けておくと、走
査時に力検出カンチレバー２が左右方向に変位するため
、被測定物１と触針３との間の摩擦力を測定することが
てきる（ＦＦＭ：Ｆｒ１ｃｔｉｏｎ　　Ｆｏｒｃｅ　　
Ｍｊｃｒｏｓｃｏｐｅ＋Ｐｈｙ、Ｒｅｖ、Ｌｅｔ　Ｉｔ
５９．１９／］−２，”８７）。

［発明が解決しようとする課題］ところで、被測定物１−のへＦＭ走査中において、触針
３は被測定物１の表面の凹凸により触針３と表面との間
の摩擦力が変化するため、力検出カンチレバー２が捻じ
られてしまい、この捩じれが横方向の測定誤差になると
云う問題があった。特に、半導体パターンの測定等にお
いては第５図に示すように触針３が溝１０に落ち込んで
引っ掛かると、測定誤差が大きくなり、また触針３を破
損する恐れもあっｔ：。

従って、本発明は上記したような従来の問題点に鑑みて
なされたもので、その目的とするところは、１つの力検
出カンチレバーで原子間力と、摩擦力を同時に測定でき
、測定精度の向にを図るように１−た原子間力、摩擦力
測定顕微鏡を提供することを１］的とするものである。

［課題を解決するための手段］本発明は上記目的を達成するために、弾性部材からなり
先端部に検査すべき被測定物の表面に近接する触針を有
する力検出カンチレバーと、この力検出カンチレバーを
照射する光源と、前記力検出力ンチＩ／バーに当たって
反射した光源からの反射光を検出し電気信号に変換する
二次元ディテクタと、この二次元ディテクタによる出力
信号を前記力検出カンチレバーの縦変位信号と捩じれ変
位信号に変換する変換回路とで構成したものである。

［作用］本発明において、力検出カンチレバーの触針を被測定物
の表面に限りなく近すけていくと、これら両者間に原子
間力が生じ、この原子間力により力検出カンチレバーは
」１下（縦）方向に変位する。

また、力検出カンチレバーには被測定物と触針との間の
摩擦力によって捩じれ変位を生じる９力検出カンチレバ
ーに縦方向の変位と捩じれ変位が生じると、該力検出カ
ンチレバーに当たって反射し二次元ディテクタの各受光
素子に入射する光ビームの光量が変化する。この各受光
素子に入射した光ビームを検出して電気信号に変換し、
これを変換回路で演算処理すると、力検出カンチレバー
の縦変位信号と捩じれ変位信号が得られ、原子間力と摩
擦力の同時測定を可能にする。

［実施例］以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて詳細に説明
する。

第１図は本発明に係る原子間力、摩擦力測定顕微鏡の一
実施例を示す概略構成図である。同図において、１］−
は基台で、この基台１−１は除振装置（図示せず）によ
って外部振動を受けない構造とされる。１２は基台１１
上に配設されたステージで、このステージ］−２は駆動
装置１−３によって互いに直交する３方向、すなわちＸ
、Ｙ、Ｚ方向にそれぞれ独立に移動制御されるように構
成され、」二面に被測定物１が設置されている。２は一
端を前記基台１］に片持支持されて配設された力検出カ
ンチレバーで、この力検出カンチレバー２は、上記した
通り厚さ２５　ｌｔ　ｍ、長さ０．８能程度の金箔製板
ばねからなり、その先端にダイヤモンド等からなる触針
３が設けられ、前記被測定物１−の表面に殆ど接触する
程度、すなわち被測定物１の表面の原子の電子雲と、触
針３の頂点の原子の電子雲とが接触する程度にまで近接
（０，３ｎ、ｍ程度）している。そして、触針３を含む
力検出力ンヂレバー２の質量は１０−６Ｋｇ程度とされ
る。

前記基台１１の上端部にはＨｅ　−Ｎ　ｅレーザ等から
なる光源５が設置されており、この光源５から出た光ビ
ーム１５は不図示のコリメータレンズ、光ファイバ等を
経て前記力検出カンチレバー２の先端部上面に導かれ、
該力検出カンチレバー２に当たって反射した反射ビーム
ＢＭがフォトダイオード等からなる二次元ディテクタ１
６に入光し、電気信号に変換されるように構成されてい
る。

次元ディテクタ１６は力検出カンチレバー２の縦方向の
変位と、横方向の捩じれ変位を検出するためのもので、
４分割光検出器を構成することにより４つの受光素子８
八〜８Ｄを備えている。

１７は前記二次元ディテクタ１６からの出力信号を演算
処理し力検出カンチレバー２の縦変位信号（Ｙ信号）と
、捩じれ変位信号（Ｘ信号）を送出する変換回路で、こ
の変換回路］−７は第２図に示すように、萌記各受光素
子８八〜８１）の電流（反射ビーム１３Ｍの光量によっ
て変化する）を電圧に変換する４つの丁−Ｖ変換器］−
８Ａ〜１８Ｄと、■−Ｖ変換器１８Ａ〜１８Ｄに対応し
て設けられた４つの加算器］−９Ａ〜１９Ｄと、加算器
１９Ａ〜１−９Ｄに対応して設けられた２つの差動増幅
器２ＯＡ、２０Ｂとで構成されている。Ｉ　−Ｖ変換器
１８Ａの出力は、加算器１−９Ａ、１９Ｂの一方のプラ
ス端子にそれぞれ入力される。■−Ｖ変換器１．８　Ｂ
の出力は、加算器１９Ｂの他方のプラス端子と、加算器
１９Ｃの一方のプラス端子にぞれぞれ入力される。Ｉ−
Ｖ変換器１８Ｃの出力は、加算器１９Ｃの他方のプラス
端子と、加算器１９Ｄの一方のプラス端子にぞれぞれ入
力される。■Ｖ変換器１−８Ｄの出力は、加算器１．９
Ａと１−９Ｄの他方のプラス端子にぞれぞれ入力される
。そして、加算器１．９　Ｂと１９Ｃの出力はそれぞれ
差動増幅器２ＯＡ、２０Ｂのプラス端子に入力され、加
算器１９Ａと１．９Ｄの出力はそれぞれ差動増幅器２Ｏ
Ａ、２０Ｂのマイナス端子に入力される。

次にこのような構成において原子間力と摩擦力の測定を
説明する。

光源らから出た光ビーム１５を力検出カンチレバー２の
先端部上面に導き、この状態で駆動装置１３によりステ
ージ１２を上昇させて被測定物１を触針３に近ずけると
共に、Ｘ、Ｙ方向に移動させて被測定物１−の表面を触
針３で走査する。力検出カンチレバー２に変位が生じて
いない状態において、光源５から出射して該力検出カン
チレバー２に当たって反射し、二次元ディテクタ１６の
各受光素子８Ａ〜８Ｄに入光する光源５からの光ビーム
ＢＭの光量は全て等しく、したがって各１■変換器１８
Ａ〜１．８Ｄの出力電圧も全て等しい。

駆動装置１３によりステージ１．２を上昇させ、被測定
物１−の表面を触針３に限りなく近すけて、被測定物表
面の原子の電子雲と、触針３の頂点の原子の電子雲とを
接触させると、これら原子間に反発性の原子間力が生じ
、この電子開力によって前記触針３が取り付けられた力
検出カンチレバー２を撓ませる。原子間力は、被測定物
表面と触針３との距離、換言すれば被測定物表面の形状
変化によって変化する。力検出カンチレバー２が撓むと
、該力検出カンチレバー２に当たって反射し各受光素子
８八〜８Ｄに入る反射ビームＢＭの光量が変化するため
、各Ｉ−Ｖ変換器１８Ａ〜１．８　Ｄの出力電圧も変化
する。この出力電圧は被測定物０１と触針３との距離に応じて変化するため、この出力信
号を変換回路１７で演算処理することで、原子間力、換
言すれば被測定物１−の表面の三次元形状が数ｎｍ〜数
士ｎｍオーダーの高分解能で測定される。

例えば、力検出カンチレバー２が原子間力の変化〈減少
）に伴い上方に変位したとすると、光ビーム１５の該レ
バーに対する人、反射角が大きくなるため、第２図に斜
線で示すように反射ビームＢＭがディテクタ中心から一
ヒ方にずれる。すると、Ｆ２つの受光素子８Ａ、８Ｂに
入光する反射ビームＢＭの光量の総和は、下２つの受光
素子８Ｃ１８１）に入光する反射ビームＢＭの光量の総
和よりも多くなる。そして、Ｆ２つの受光素子８Ａと８
Ｂの出力電圧は加算器１９Ｉ３によって加算されて差動
増幅器２ＯＡのプラス端子に入力され、下２つの受光素
子８Ｃと８１）の出力電圧は加算器１９Ｄによって加算
されて差動増幅器２０Ａのマイナス端子に入力される。

加算器１．９　Ｂの出力電圧は加算器１９Ｄの出力電圧
より大であるため、差動増幅器２　ＯＡは正の差電圧を
縦変位信号（Ｘ信号）として出力する。反対に、原子間
力の増加に伴い力検出カンチレバー２が下方に変位した
場合は、光ヒーム１５の力検出カンチレバー２に対する
人、反射角が小さくなるノ；二め、加算器１．９Ｄの出
力電圧か加算器１９Ｂの出力電圧より大きくなり、差動
増幅器２ＯＡは負の差電圧をＸ信号として出力する。従
って、このＸ信号によって原−６間力を測定することが
できる。

また、力検出カンチレバー２は被測定物表面と触針３と
の間の摩擦力によって捩じれるため、力検出カンチレバ
ー２に当たって反射し二次元ディテクタ１６に入射する
反射ビームＢＭの中心がディテクタ中心から左右方向に
ずれる。例えば摩擦力の変化に伴い被測定物１の走査方
向に捩じれて左２つの受光素子８Ａ、８Ｃに入光する反
射ビームの光量の総和が、右２つの受光素子８Ｂ、８Ｄ
に入光する反射ビームの光量の総和よりも多くなったと
する。そして、左２つの受光素子８Ａと８Ｃの出力電圧
は加算器１９Ａによって加算されて差動増幅器２０Ｂの
マイナス端子に入力され、右２つの受光素子８Ｂと８Ｄ
の出力電圧は加算器１−９Ｃによって加算されて差動増
幅器２０Ｂのプラス端子に入力される。加算器１９Ａの
出力電圧は加算器１９ｃの出力電圧より大であるため、
差動増幅器２０Ｂは正の差電圧を捩じれ変位信号（Ｘ信
号）として出力する。反対に、力検出カンチレバー２が
走査方向と反対方向に捩じれた場合は反射ビームＢＭの
中心がディテクタ中心より右にずれるため、加算器１９
Ｃの出力電圧が加算器１９Ａの出力電圧より大きくなり
、差動増幅器２０Ｂは負の差電圧をＸ信号として出力す
る。従って、このＸ信号によって摩擦力を測定すること
ができる。

なお、このような測定に際して前記Ｘ、Ｙ信号は力検出
カンチレバー２の変形を一定に保つため駆動装置１３に
帰還され、これによって測定物］−がｘ、ｙ、ｚ方向に
移動制御される。したがって、仮に触針３が被測定物１
の表面に形成された溝に落ち込んで引っ掛かっても破損
する恐れがなく、半導体のパターンの測定に有利である
。

第３図は二次元ディテクタの他の実施例を示す構成図で
ある。この実施例は、力検出力ンヂレバー２に当たって
反射した反射ビームＢＭを直角プリズム３０等の光学素
子によって２つの光束に分割して、その各々を２つの２
分割ディテクタ３］、３２にそれぞれ入光させるように
構成したものである。反射ビームＢＭは力検出カンチレ
バー２の縦方向変位および捩じれ変位に伴い紙面左右方
向と、紙面と直交する方向にずれ、このずれ量に応じて
各２分割ディテクタ３１−１３２の受光素子に入光する
ビームの光量が変化する。この場合、方の２分割ディテ
クタ３］は例えば力検出カンチレバー２の縦変位を検出
する変位検出器として用いられ、もう一方の２分割ディ
テクタ３２は力検出カンチレバー２の捩じれ変位を検出
する変位検出器として用いられる。そして、これらディ
テクタ３１．＝３２の出力信号は、上記実施例と同様、
変換回路１７に入力され演算処理される。

［発明の効果］］３ −４以上説明したように本発明に係るＥｉ、：ｆ間力、摩擦
力測定顕微鏡は、力検出カンチレバーの変位を二次元デ
ィテクタによって検出し、このニー次元ディテクタの検
出信号を変換回路によって演算処理し、縦変位信号と、
捩じれ変位信号を得るようにしたので、通常のＡＦＭ動
作中において摩擦力を同時に測定でき、それによる力検
出カンチレバーの捩じれによる横方向誤差を測定でき、
測定精度を向上させることができる。また、被測定物の
走査に際して、捩じれ変位信号を帰還させて摩擦力が一
定になるようにすると、鋭いエツジ、アスベクｌ−の高
い形状のものであっても、触針を破損したりすることが
なく、半導体のパターン測定などに好適である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る原ｆ間力、摩擦力測定顕微鏡の一
実施例を示す概略構成図、第２図は二次元ディテクタと
変換回路を示す図、第３図は二次元ディテクタの他の実
施例を示す図、第４図は原子間力測定顕微鏡の従来例を
示す概略構成図、第５図は触針が被測定物の渦に落ち込
んだ状態を示す図である。１−・・被測定物、２・・−力検出力ンチレバ、３・・
・触針、５・・・光源、７−・−ディテクタ、８Ａ〜８
Ｄ・−・受光泰子、］１−・基台、１２・−−ステージ
、１３−一・駆動装置、１６・・・Ｔ１次元ティテクタ
、１７・・・変換回路、１８Ａへ一１８Ｄ・・・１−■
変換器、１９Ａ〜１９Ｄ・・−加算器、２ＯＡ、２０Ｂ
。・差動増幅器。

Claims

【特許請求の範囲】

　弾性部材からなり先端部に検査すべき被測定物の表面
に近接する触針を有する力検出カンチレバーと、この力
検出カンチレバーを照射する光源と、前記力検出カンチ
レバーに当たって反射した光源からの反射光を検出し電
気信号に変換する二次元ディテクタと、この二次元ディ
テクタによる出力信号を前記力検出カンチレバーの縦変
位信号と捩じれ変位信号に変換する変換回路とを備えた
ことを特徴とする原子間力、摩擦力測定顕微鏡。